Это хорошая статья. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Перевернутая F-антенна в базовой станции DECT (технология, используемая для беспроводных телефонов и аналогичных устройств)

Перевернутая F антенна представляет собой тип антенны используется в беспроводной связи . Он состоит из несимметричной антенны, параллельной заземленной поверхности и заземленной на одном конце. Антенна питается от промежуточной точки на расстоянии от заземленного конца. Конструкция имеет два преимущества по сравнению с простым монополем: антенна короче и компактнее, а согласование импеданса может контролироваться разработчиком без необходимости использования посторонних согласующих компонентов.

Антенна в виде перевернутой буквы F была впервые задумана в 1950-х годах как антенна с изогнутой проволокой. Однако наиболее широко он используется в качестве плоской перевернутой F-антенны ( PIFA ) в мобильных беспроводных устройствах из-за ее свойств экономии места. PIFA можно напечатать с использованием микрополоскового формата, широко используемой технологии, которая позволяет изготавливать печатные ВЧ- 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 в себя связанные резонаторы и добавление пазов.

Эволюция и история [ править ]

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

Перевернутая F-антенна является развитием базовой четвертьволновой монопольной антенны . 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 заземлена. Преимущество этого заключается в том, что входное сопротивление антенны зависит от расстояния точки питания от заземленного конца. Часть антенны между точкой питания и заземляющим слоем по существу ведет себя как шлейф короткого замыкания . Таким образом, разработчик может согласовать антенну с импедансом системы, установив положение точки питания (ВЧ-системы обычно имеют полное сопротивление системы 50 Ом, тогда как монополь λ / 4 имеет импеданс 36,5 Ом).[2]

Антенна с перевернутой L - это несимметричная антенна, изогнутая и идущая 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 году группой в Гарварде под руководством Ронольда В.П. Кинга . [4] Антенна Кинга имела проволочную форму и предназначалась для использования в ракетах для телеметрии . [5]

Планарная реализация [ править ]

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 Доска с заземляющим слоем
KeyFeedPin.png Штифт питания антенны KeyGroundPin.png Контакт заземления

Плоская перевернутая F-антенна (PIFA) используется для беспроводной схемы, реализованной на микрополоске . Формат микрополосков является предпочтительным форматом для современной РЧ- электроники. Его можно использовать для реализации требуемых ВЧ-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 .

Печатная перевернутая F-антенна может быть реализована в классической перевернутой F-форме, обычно на одной стороне печатной платы, где заземляющая пластина была удалена из-под антенны. Однако другой подход - это модифицированная патч-антенна , закороченная патч-антенна . В этом подходе один край патча или какая-то промежуточная точка заземляется заземляющими контактами или переходными отверстиями до плоскости заземления. Это работает по тому же принципу, что и перевернутая буква F; при взгляде сбоку видна F-образная форма, просто антенный элемент очень широкий в горизонтальной плоскости. [6] Закороченная патч-антенна имеет более широкую полосу пропускания, чем тип тонкой линии, из-за большей площади излучения.[7] Подобно тонкой линии, закороченная патч-антенна может быть напечатана на той же печатной плате, что и остальная схема. Однако они обычно печатаются на собственной плате или на диэлектрике, прикрепленном к основной плате. Это сделано для того, чтобы антенна могла быть подвешена и фактически находилась в воздушном диэлектрике, находилась на большем расстоянии от плоскости заземления, чем это было бы в противном случае, или используемый диэлектрик является более подходящим материалом для радиочастотных характеристик. [8]

Термин PIFA зарезервирован многими авторами (например, Sánchez-Hernández [9] ) для закороченной патч-антенны, где антенный элемент широкий, а земля под ним находится. Тип тонкой линии перевернутой F-антенны с землей на одной стороне, как A и B на схеме, просто называется IFA, даже если они имеют планарный формат. Автор может даже назвать IFA этого типа печатной антенной в виде перевернутой буквы F, но все же зарезервировать PIFA для закороченного типа патч (например, Hall and Wang. [10] )

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

где
f 0 - резонансная частота
w , b - ширина и ширина пятна
c - скорость света
ε r - диэлектрическая проницаемость подложки.

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 изогнутая 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 в антенне резиновой утки . [13]

Антенны типа Inverted-F имеют узкую полосу пропускания. Более широкая полоса пропускания может быть достигнута за счет удлинения антенны, что увеличивает ее радиационную 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 изготовления многодиапазонных антенн также эффективны при расширении полосы пропускания. [14]

Многодиапазонные антенны [ править ]

Двухдиапазонная печатная перевернутая F-антенна из приложения PC Card, обеспечивающая 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. Возможно, наиболее простая в концептуальном плане конструкция, о которой впервые было сообщено в 1997 г. [16], - это размещение двух патч-антенн PIFA одна внутри другой. Другой метод состоит в том, чтобы вставить в патч одну или несколько ответвлений , что приводит к тому, что связанные резонаторы расширяют полосу. Другие методы основаны на создании нескольких режимов , что обеспечивает более компактный дизайн. Примерами этого являются шаблон C-слота, который аналогичен шаблону встречно-штыревого фильтра , и шаблон с сильно извилистым изгибом, показанный на диаграмме как C и D соответственно. [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 [ править ]

Антенны типа Inverted-F широко используются в компактных портативных беспроводных устройствах, где пространство ограничено. Сюда входят мобильные телефоны и планшетные компьютеры, использующие беспроводную передачу данных, такую ​​как GSM , Bluetooth и Wi-Fi . [18] Плоская перевернутая F-антенна является наиболее часто используемой внутренней антенной в мобильных телефонах. [19]

Эти антенны также используются для телематики транспортных средств . Производители автомобилей любят использовать антенны, которые повторяют контуры автомобиля из соображений стиля и аэродинамики. Многодиапазонные PIFA можно использовать для объединения антенных сигналов для мобильных телефонов, спутниковой навигации и автомобильного радио . [20]

Эти антенны использовались для телеметрии на военных испытательных полигонах, включая те, которые поддерживают стандарты Inter-Range Instrumentation Group . [21]

Двухдиапазонный PIFA R-образной формы был предложен для использования на военных транспортных средствах. 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]

Ссылки [ править ]

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

Библиография [ править ]

  • Али, М .; Гуанли Ян; Хуан-Шэн Хван; Ситтироннарит, Т., «Проектирование и анализ R-образной двухдиапазонной планарной перевернутой F-антенны для автомобильных приложений» , IEEE Transactions on Vehicular Technology , vol. 53, вып. 1. С. 29–37, январь 2004 г.
  • Бартон, "Nosecone Inverted-F (IFA) для телеметрии S-диапазона" , DTIC, 2017 г.
  • Коэн, Н., Применение фрактальных антенн в беспроводной связи » , Труды профессиональных программ: Форум электроники Новой Англии, 1997 г. , стр. 43–49, 6–8 мая 1997 г., IEEE ISBN  0780339878 .
  • Холл, Питер С .; Lee, E .; Песня, CTP, «Планарные перевернутые F-антенны», стр. 197–227, в Waterhouse, Rod (ed), Printed Antennas for Wireless Communications , John Wiley & Sons, 2008 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, примечания к дизайну DN023, 30 сентября 2011 г.
  • Кин-Лу Вонг, Йен-Ю Чен, Сау-Вен Су, Йен-Лян Куо, «Разнесенная двухдиапазонная планарная перевернутая F-антенна для работы WLAN» , Письма о микроволновых и оптических технологиях , том. 38, вып. 3. С. 223–225, 5 августа 2003 г.
  • Кинг, Ронольд В.П.; Харрисон, CW, младший; Дентон, Д.Х., мл., "Антенны ракетных линий передачи", Техническая записка Sandia Corp. 436-58, т. 14 ноября 1958 г.
  • Кинг, Ронольд В.П.; Харрисон, CW, младший; Дентон, Д.Х., мл., "Ракетные антенны линии передачи" , IRE Transactions on Antennas and Propagation , vol. 8, вып. 1. С. 88–90, январь 1960 г.
  • Лю, ЗД; Холл, ПС; Уэйк, Д., "Двухчастотная планарная перевернутая F-антенна" , IEEE Transactions on Antennas and Propagation , vol. 45, вып. 10. С. 1451–1458, октябрь 1997 г.
  • Петоса, Альдо, Антенны с быстрой перестройкой частоты для беспроводной связи , Artech House, 2013 ISBN 1608077691 . 
  • Прасад, Шиела; Кинг, Ронольд В.П., "Экспериментальное исследование перевернутых L-, T- и связанных антенн линий передачи" , Журнал исследований Национального бюро стандартов , вып. 65, нет. 5. С. 449–454, сентябрь – октябрь 1961 г.
  • Санчес-Эрнандес, Дэвид А., Многополосные интегрированные антенны для терминалов 4G , Artech House, 2008 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 ISBN 0470512253 . 
  • Ярман, Бинбога Сиддик, Дизайн сверхширокополосных согласованных сетей антенн , Springer, 2008 ISBN 1402084188 .