Перевернутая F-антенна - Inverted-F antenna

Перевернутая F-антенна в DECT (технология, используемая для беспроводные телефоны и аналогичные устройства) базовая станция

An перевернутая F-антенна это тип антенна используется в беспроводная связь. Он состоит из монопольная антенна идущий параллельно плоскости заземления и заземленный с одного конца. Антенна питается от промежуточной точки на расстоянии от заземленного конца. У конструкции есть два преимущества перед простым монополем: антенна короче и компактнее, а согласование импеданса может управляться разработчиком без необходимости дополнительных компонентов для согласования.

Антенна в виде перевернутой буквы F была впервые задумана в 1950-х годах как антенна с изогнутой проволокой. Однако наиболее распространено его использование в качестве плоская перевернутая F-антенна (PIFA) в мобильных беспроводных устройствах за его компактность. PIFA можно распечатать с помощью микрополоска формат, широко используемая технология, позволяющая печатать РФ компоненты, которые будут производиться как часть того же печатная плата используется для монтажа других компонентов.

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

Эволюция и история

A: четвертьволновой монополь, B: четвертьволновой монополь с промежуточным питанием, C: перевернутая L-антенна, D: перевернутая F-антенна

Перевернутая F-антенна - это эволюция базовой четвертьволновой монопольная антенна. Проволочная антенна F-типа была изобретена в 1940-х годах.[1] В этой антенне источник питания подключен к промежуточной точке по длине антенны, а не к основанию. База подключена к земле. Преимущество этого состоит в том, что входной импеданс антенны зависит от расстояния точки питания от заземленного конца. Участок антенны между точкой питания и заземляющим слоем по существу ведет себя как короткое замыкание. заглушка. Таким образом, разработчик может согласовать антенну с импедансом системы, установив положение точки питания (ВЧ-системы обычно имеют полное сопротивление системы 50 Ом, тогда как у монополя λ / 4 импеданс составляет 36,5 Ом).[2]

Антенна с перевернутой L-образной формой представляет собой монопольную антенну, изогнутую параллельно плоскости заземления. Его преимущество заключается в компактности и меньшей длине, чем у монополя λ / 4, но недостатком является очень низкий импеданс, обычно всего несколько Ом. Перевернутая F-антенна сочетает в себе преимущества обеих этих антенн; он имеет компактность перевернутой L и способность согласования импеданса F-типа.[3]

Впервые перевернутая F-антенна была предложена в 1958 г. Гарвард во главе с Ронольд В. П. Кинг.[4] Антенна Кинга имела проволочную форму и предназначалась для использования в ракетах для телеметрия.[5]

Планарная реализация

A: печатная перевернутая F-антенна, B: извилистая печатная перевернутая F-антенна: C: патч-антенна: D: плоская перевернутая F-антенна (PIFA)
KeyBoardWithoutGroundPlane.png Плата без заземляющего слоя KeyBoardWithGroundPlane.png Плата с заземляющим слоем
KeyFeedPin.png Штифт питания антенны KeyGroundPin.png Контакт заземления

Плоская перевернутая F-антенна (PIFA) используется для беспроводной схемы, реализованной в микрополоска. Формат микрополосков - предпочтительный формат для современных РФ электроника. Его можно использовать для реализации необходимых распределенный элемент RF компоненты, такие как фильтры, и в то же время экономичен, поскольку используются те же методы массового производства, что и для печатные платы.

Печатная перевернутая F-антенна может быть реализована в классической перевернутой F-форме, обычно на одной стороне печатной платы, где плоскость земли был удален из-под антенны. Однако другой подход - это модифицированный патч антенна, то закороченная патч-антенна. При таком подходе один край патча или какая-то промежуточная точка заземляется заземляющими штырями или переходные отверстия через плоскость заземления. Это работает по тому же принципу, что и перевернутая F; при взгляде сбоку видна F-образная форма, просто антенный элемент очень широкий в горизонтальной плоскости.[6] Закороченная патч-антенна имеет более широкую пропускная способность чем тонкая линия из-за большей площади излучения.[7] Подобно тонкой линии, закороченная патч-антенна может быть напечатана на том же печатная плата как и остальная схемотехника. Однако обычно они печатаются на собственной доске или на диэлектрик закреплен на основной плате. Это сделано для того, чтобы антенна могла быть подвешена и эффективно находиться в воздушном диэлектрике, находилась на большем расстоянии от плоскости заземления, чем она могла бы быть в противном случае, или используемый диэлектрик был более подходящим материалом для РФ спектакль.[8]

Период, термин PIFA зарезервировано многими авторами (например, Санчес-Эрнандес[9]) для закороченной патч-антенны, где антенный элемент широкий, а заземляющий слой находится под ним. Тип тонкой линии перевернутой F-антенны с землей на одной стороне, как A и B на схеме, просто называется ЕСЛИ даже если они имеют планарный формат. Автор может даже назвать IFA такого типа печатная перевернутая F-антенна но все же зарезервировать PIFA для закороченного типа патча (например, Холла и Ванга.[10])

Обычная конфигурация закороченной патч-антенны заключается в размещении закорачивающего штифта как можно ближе к одному углу, а подающий штифт относительно близко к закорачивающему штырю. В этой конфигурации резонансная частота дается приблизительно как,

куда
ж0 резонансная частота
ш, б ширина и ширина пятна
c это скорость света
εр это диэлектрическая постоянная субстрата.

Эта формула верна только в том случае, если на антенну не влияют близлежащие диэлектрики, такие как корпус устройства.[11]

Еще одна разновидность, с которой можно встретиться, - это извилистая перевернутая F-антенна (MIFA). Если на плате недостаточно места для удлинения антенны на полную требуемую длину, антенну можно изгибать, чтобы уменьшить ее высоту при сохранении расчетной электрической длины.[12] Это можно сравнить со спиралью антенны, как показано на резиновая утка антенна.[13]

Антенны типа Inverted-F имеют узкую полосу пропускания. Более широкая полоса пропускания может быть достигнута за счет удлинения антенны, что увеличивает ее радиационная стойкость. Другое решение - разместить две антенны в непосредственной близости. Это работает, потому что связанные резонаторы имеют ширину полосы пропускания, превышающую ширину полосы каждого отдельного резонатора. Большинство методов производства многодиапазонный антенны также эффективны при расширении полосы пропускания.[14]

Многодиапазонные антенны

Двухдиапазонная печатная перевернутая F-антенна от Карта ПК приложение, предоставляющее контроллер сетевого интерфейса в диапазонах 2,4 ГГц и 5,2 ГГц[15]

Потребность в многодиапазонных антеннах возникает в связи с мобильными устройствами, которым необходимо перемещаться между странами и сетями, где используемые полосы частот часто могут отличаться. Пожалуй, самый простой в концептуальном плане дизайн, о котором впервые было сообщено в 1997 году.[16] состоит в том, чтобы вставить две патч-антенны PIFA одна в другую. Другой способ - вставить один или несколько ответвления в патч, что имеет эффект связанных резонаторов, расширяющих полосу. Другие техники полагаются на несколько режимы генерируется, что делает конструкцию более компактной. Примерами этого являются шаблон C-паза, который аналогичен шаблону межпальцевой фильтр, и узор с плотным изгибом, показанный на диаграмме как C и D.[17]

Многодиапазонные конструкции PIFA, A: вложенные патч-антенны PIFA, B: патч-антенна PIFA с двумя ответвлениями, образующими трехдиапазонную антенну, C: аналогичная трехдиапазонная антенна с C-пазами, D: сильно меандрированная перевернутая F

Приложения

Антенны типа Inverted-F широко используются в компактных портативных беспроводных устройствах, где пространство ограничено. Это включает в себя мобильные телефоны и планшетные компьютеры используя беспроводные передачи, такие как GSM, блютуз, и Wi-Fi.[18] Плоская перевернутая F-антенна является наиболее часто используемой внутренней антенной в мобильных телефонах.[19]

Эти антенны также используются для автомобильная телематика. Производители автомобилей любят использовать антенны, которые повторяют контуры автомобиля из соображений стиля и аэродинамики. Многополосные PIFA могут использоваться для объединения антенных каналов для мобильных телефонов, спутниковая навигация, и автомобильное радио.[20]

Эти антенны использовались для телеметрии на военных испытательных полигонах, в том числе поддерживающих Группа межрайонного приборостроения стандарты. [21]

Двухдиапазонный PIFA R-образной формы был предложен для использования на военной технике. Охватываемые диапазоны - 225 МГц и 450 МГц. Эти частоты находятся в том же соотношении, что и диапазоны GSM мобильного телефона на 900 МГц и 1,8 ГГц, поэтому конструкция может быть использована и для этого приложения, если размеры были уменьшены до нужного размера.[22]

Рекомендации

  1. ^ Уотерхаус и Новак, стр. 19
  2. ^ Зал и другие., стр. 197–198
  3. ^ Зал и другие., стр. 197–198
    • Ярман, стр. 67
  4. ^ Кинг, Харрисон и Дентон, 1958, 1960)
  5. ^ Петоса, стр. 62
    • Прасад и король, стр. 449, 452
  6. ^ Зал и другие., стр. 198–199
  7. ^ Ярман, стр. 68
  8. ^ Зал и другие., стр.200, 209
  9. ^ Санчес-Эрнандес, стр. 16–22.
  10. ^ Холл и Ван, стр. 96
  11. ^ Зал и другие., стр. 199–200
    • Ярман, стр. 68–69.
  12. ^ Кервел, стр. 1, 3–4
  13. ^ Коэн, стр. 43: «Рассматривая резиновую утку как 3-мерную меандровую линию с использованием спирали, легко увидеть, что возможны и другие попытки миниатюризации».
  14. ^ Зал и другие., п. 200
  15. ^ Зал и другие., стр. 221–222
    • Кин-Лу и другие., стр. 223–225
  16. ^ Лю и другие., п. 1451
  17. ^ Зал и другие., стр. 203–204
  18. ^ Зал и другие., п. 197
  19. ^ Ярман, стр. 67
  20. ^ Зал и другие., п. 222
  21. ^ Бартон, 2017
  22. ^ Али и другие., п. 29

Список используемой литературы

  • Али, М .; Гуанли Ян; Хуан-Шэн Хван; Ситтироннарит, Т., «Разработка и анализ R-образной двухдиапазонной планарной перевернутой F-антенны для автомобильных приложений», Транзакции IEEE по автомобильным технологиям, т. 53, вып. 1. С. 29–37, январь 2004 г.
  • Бартон, "Nosecone Inverted-F (IFA) для телеметрии S-диапазона", DTIC, 2017
  • Коэн, Н., Применение фрактальных антенн в беспроводной связи », Материалы профессиональной программы: Форум электроники Новой Англии, 1997 г., стр. 43–49, 6–8 мая 1997 г., IEEE ISBN  0780339878.
  • Холл, Питер С .; Lee, E .; Сонг, К. Т. П., "Плоские перевернутые F-антенны", стр. 197–227, в Waterhouse, Rod (ed), Печатные антенны для беспроводной связи, Джон Уайли и сыновья, 2008 г. ISBN  0470512253.
  • Холл, Питер С .; Ян Хао, Антенны и распространение для телесно-ориентированной беспроводной связи, 2-е изд., Artech House, 2012 ISBN  1608073769.
  • Кервел, Фредрик, Перевернутая F-антенна 868 МГц, 915 МГц и 955 МГц, Texas Instruments, Примечание разработчика DN023, 30 сентября 2011 г.
  • Кин-Лу Вонг, Йен-Ю Чен, Сау-Вэнь Су, Йен-Лян Куо, «Двухдиапазонная планарная перевернутая F-антенна с разнесением для работы в WLAN», Письма о микроволновых и оптических технологиях, т. 38, вып. 3. С. 223–225, 5 августа 2003 г.
  • King, Ronold W. P .; Harrison, C.W., Jr .; Дентон, Д. Х., мл., "Антенны ракетных линий передачи", Техническая записка Sandia Corp. 436-58, т. 14 ноября 1958 г.
  • King, Ronold W. P .; Harrison, C.W., Jr .; Дентон, Д. Х., младший, «Передаточные ракетные антенны», Транзакции IRE по антеннам и распространению, т. 8, вып. 1. С. 88–90, январь 1960 г.
  • Liu, Z. D .; Холл, П. С .; Уэйк, Д., «Двухчастотная планарная перевернутая F-антенна», Транзакции IEEE по антеннам и распространению, т. 45, вып. 10, стр. 1451–1458, октябрь 1997 г.
  • Петоса, Альдо, Антенны с быстрой перестройкой частоты для беспроводной связи, Artech House, 2013 г. ISBN  1608077691.
  • Прасад, Шиела; Кинг, Ронольд В. П., «Экспериментальное исследование перевернутых L-, T- и родственных антенн линии передачи», Журнал исследований Национального бюро стандартов, т. 65, нет. 5. С. 449–454, сентябрь – октябрь 1961 г.
  • Санчес-Эрнандес, Дэвид А., Многополосные интегрированные антенны для терминалов 4G, Artech House, 2008 г. ISBN  1596933984.
  • Уотерхаус, Род; Новак, Далма, "Беспроводные системы и печатные антенны", стр. 1–36, в Waterhouse, Rod (ed), Печатные антенны для беспроводной связи, Джон Уайли и сыновья, 2008 г. ISBN  0470512253.
  • Ярман, Бинбога Сиддик, Проектирование сверхширокополосных сетей согласования антенн, Springer, 2008 г. ISBN  1402084188.