Технология PCB - конструкция антенны на печатной плате

Что такое конструкция антенны на печатной плате?

Это антенна, размещенная на печатной плате. В качестве проводящего элемента используются дорожки. Другими словами, она является частью печатной платы, а не внешним соединением.

При использовании с радиочастотными цепями он помогает преобразовывать радиоволны в небольшие импульсы тока. Он также может выступать в качестве передатчика и выполнять противоположную функцию.

Изготовление непосредственно на печатной плате имеет ряд преимуществ, в том числе меньшую стоимость и простоту интеграции. Это полезно в электронных устройствах с беспроводной связью в различных диапазонах частот, включая сотовую связь, Wi-Fi и Bluetooth.

Принцип работы печатной антенны на печатной плате

Печатная антенна на печатной плате помогает передавать или принимать высокочастотные электромагнитные волны. Она работает с высокочастотными цепями для преобразования энергии радиочастотных волн в электрические сигналы и наоборот. Вот более подробное описание ее работы:

Передача: радиочастотные цепи передают различные заряды на антенну. Заряды генерируют электромагнитные волны, которые излучаются в пространство, передавая передаваемый сигнал.

Прием: Электромагнитное поле индуцирует заряды в антенне, генерируя колебания токов и напряжений. Радиочастотная схема декодирует их для разделения или извлечения передаваемого сигнала.

Волновое излучение варьируется в зависимости от конструкции антенны. Обычно оно бывает направленным, полунаправленным или всенаправленным. Вот что это значит.

Направленный тип имеет только одно направление

У полунаправленного типа есть определенный угол распространения сигнала

С другой стороны, всенаправленный тип может передавать сигналы во всех направлениях.

Проблемы, связанные с проектированием антенны на печатной плате

При проектировании высокопроизводительных антенн на печатных платах перед командами встает несколько различных задач. В некоторых приложениях может использоваться несколько антенн как на стороне передатчика, так и на стороне приемника для повышения производительности антенной системы. Однако антенные элементы, расположенные близко друг к другу, могут начать взаимодействовать из-за взаимной связи. Каждое взаимодействие между элементами влияет на способность антенной решетки поддерживать хорошее соответствие импедансов и приводит к потере мощности. Кроме того, электромагнитная связь нарушает диаграмму направленности антенны, снижает коэффициент усиления и влияет на резонансную частоту.

Другая проблема связана с влиянием корпуса на чувствительность антенны. Во многих случаях диэлектрическая проницаемость пластика, используемого для изготовления корпуса, выше, чем у воздуха. Отсутствие достаточного зазора между антенной и корпусом приводит к тому, что эффективная диэлектрическая проницаемость антенны становится выше. В результате электрическая длина антенны увеличивается, а резонансная частота уменьшается. Проектировщики должны всегда проверять работоспособность согласующей сети антенны после установки окончательного пластикового корпуса и установки изделия в соответствии с типичным сценарием использования.

На высоких частотах полное сопротивление радиочастотной цепи изменяется в зависимости от различных нагрузок, измеряемых на расстоянии. Ширина и толщина радиочастотных дорожек, зазор между дорожкой и поверхностью заземления и тип подложки также влияют на величину изменения полного сопротивления. В конструкции антенны на печатной плате в качестве линий передачи выступают коаксиальные кабели, микрополосковые линии и копланарные волноводы. Обычной практикой является использование пассивной схемы в качестве согласующей сети для преобразования характеристического сопротивления радиочастотной трассы и обеспечения максимальной передачи мощности между согласованным сопротивлением источника и нагрузкой.

Эволюция антенны Inverted-F

1. Монопольная антенна Монопольная антенна - это один из самых простых типов антенн, состоящий из вертикального металлического стержня, нижний конец которого соединен с линией питания и плоскостью заземления. Длина монопольной антенны обычно составляет четверть рабочей длины волны для достижения оптимальной эффективности излучения. Однако размер этой антенны часто бывает большим и не подходит для современных мобильных устройств с ограниченным пространством.

2. Перевернутая L-образная антенна Чтобы решить проблему, связанную со слишком большими размерами монопольной антенны, была разработана перевернутая L-образная антенна. Она имеет форму перевернутой буквы "L" и позволяет достичь аналогичных характеристик с монопольной антенной в меньшем пространстве, сохраняя при этом хорошую эффективность излучения. Такая конструкция делает его более подходящим в качестве встроенной антенны в устройствах мобильной связи за счет уменьшения общей высоты антенны.

3. Инвертированная F-антенна (IFA) Инвертированная F-антенна дополнительно оптимизирует конструкцию инвертированной L-антенны для достижения более компактных размеров. Антенна IFA основана на перевернутой L-образной антенне и добавляет рычаг короткого замыкания, подключенный к земле, который выглядит как перевернутая буква "F". В инвертированной F-антенне конструкция нового плеча защиты от короткого замыкания эквивалентна подключению катушки индуктивности параллельно исходной инвертированной L-антенне. Наличие катушки индуктивности изменяет характеристики импеданса антенны. За счет регулировки размера этой катушки индуктивности (т.е. длина и положение рычага короткого замыкания), можно эффективно регулировать резонансную частоту антенны. В то же время, согласование полного сопротивления антенны может быть дополнительно оптимизировано без использования дополнительных компонентов схемы.

4. Меандровая инвертированная F-антенна В связи с растущим спросом на антенны меньшего размера и с более широкой полосой пропускания была предложена концепция меандровой инвертированной F-антенны. Меандровая антенна может увеличить эффективную электрическую длину антенны в ограниченном пространстве за счет того, что кронштейн антенны выполнен в виде извилистой змеевидной конструкции, что позволяет достичь производительности, сравнимой с более длинной вертикальной антенной. Когда эта концепция дизайна была применена к антенне IFA, на свет появилась меандровая инвертированная F-антенна. Он сочетает в себе компактность антенны IFA и оптимизацию размеров антенны Meander, не только сохраняя хорошую эффективность излучения, но и еще больше уменьшая объем, что делает его особенно подходящим для интеграции в современные электронные устройства с крайне ограниченным пространством.

От монопольной антенны, перевернутой L-образной антенны, до перевернутой F-образной антенны, змеевидной перевернутой F-образной антенны, эта серия усовершенствований отражает инновации и прогресс в разработке антенн на печатных платах в ответ на меняющиеся технические требования. Разработка этих типов антенн не только способствовала развитию технологий беспроводной связи, но и внесла важный вклад в миниатюризацию и многофункциональность современных электронных устройств.