Особенности разработки электрически малых антенн
Особенности разработки электрически малых антенн
Время чтения 9 минут
Особенности разработки электрически малых антенн
Тарас Парфенович

Особенности разработки электрически малых антенн

30 июля 2021

Современный этап развития многих радиотехнических устройств характеризуется приданием им портативных свойств и дальнейшим уменьшением весогабаритных параметров. Вместе с привычным уменьшением габаритов элементной базы все более жесткие требования предъявляются и к снижению размеров антенн. Широкое распространение получают так называемые электрически малые антенны (ЭМА). Данная статья является компиляцией публикаций по тематике ЭМА и кратко освещает особенности применения и разработки таких антенн.

Обычно, данный тип антенн широко применяется во множестве современных носимых устройств: смартфоны, смартчасы, планшеты и т. д. Это позволяет уменьшить вес и габариты готового устройства. Также к малым следует относить антенны меток систем RFID c рабочей частотой ниже 1 ГГц и наибольшими размерами 30х30 мм [1].

Среди наиболее распространённых конструкций ЭМА встречаются короткий диполь, монополь, малая рамочная антенна и диэлектрический нагруженные печатные антенны типа patch [1]. 

Главным критерием того, относится ли данная антенная электрически малым (коротким) или нет, является соотношение максимального размера антенны и длины электромагнитной волны, на которую она настроена: максимальный размер антенны должен быть много меньше длины волны.  Широко распространены два определения ЭМА. Согласно принятому правилу электрически малыми считаются антенны, чей наибольший геометрический размер Lmax не превосходит одну десятую часть длины рабочей волны λ [2], т. е.

Второе определение говорит, что антенна является электрически малой, если для нее выполняется следующее условие [3]:

где – волновое число, а а – радиус воображаемой сферы, называемой сферой Чу (Chu sphere), охватывающий рассматриваемую антенну (см. рис.1) [3].

Процесс разработки ЭМА отличатся от процесса разработки обычных полноразмерных антенн и характеризуется следующими специфическими особенностями [4-6]:

узкая рабочая частотная полоса,

высокое значение реактивности входного импеданса,

малая эффективность излучения,

нахождение объектов конструкции устройства в зоне реактивного поля ЭМА.

Далее рассмотрим подробнее причины возникновения указанных проблем, а также возможные пути решения.

Узкая рабочая частотная полоса

Ширина рабочей частотной полосы ∆f антенны определяется ее добротностью (отношение запасенной энергии к энергии потерь, включая излученную)

Согласно с Теорией Чу-Маклина [8] установлена связь между добротностью электрически малой антенны (Q) и электрическим радиусом сферы (Сферы Чу, см. рис. 1),

где  – минимальная теоретическая добротность ЭМА, т. е. теоретически возможная максимальная ширина рабочей частотной полосы. Реальная добротность ЭМА превышает значения .

При уменьшении размеров антенны ее добротность Q возрастает, что эквивалентно сужению рабочей частотной полосы f. Это может быть проблемой при использовании широкополосного канала связи или радиокомпонентов с большим разбросом параметров.

Для обеспечения максимальной рабочей полосы (наименьшей добротности) необходимо, чтобы конструкция антенны занимала наибольшую часть объема сферы Чу.

Для недопущения указанных проблем требуется предварительно выполнить оценку теоретических пределов ширины частотной полосы планируемой конструкции ЭМА, а также использовать в РТ радиоэлементы меньшим разбросом паромеров.

Внесение внешнего активного сопротивления приведет к расширению частотной полосы антенны, но снизит ее эффективность, что может быть приемлемо в ряде приложений.

Высокое значение реактивности входного импеданса

При уменьшении размеров антенн возрастает реактивность Xa входного импеданса антенн, что ведет к усложнению его согласования с импедансом радиотракта, который обычно находится в районе 50 Ом [9]. Поскольку входной импеданс ЭМА чаще всего характеризуется малой активной частью и большой реактивной (емкостной), то для того, чтобы выполнить согласование на стандартные 50 Ом необходимо использовать согласующую цепь. Это также накладывает ограничение максимальной рабочей полосы, известное как предел Фано-Боде [10, 11]. При этом потери элементов цепи согласования оказывают существенное влияние на величину общих потерь радиотракта (РТ), что будет подробно рассмотрено в следующем разделе.

Указанный в предыдущем пункте метод увеличивать суммарные размеры ЭМА в пределах сферы Чу также может привести к достижению резонанса в пределах интересующего частотного диапазона, что позволяет получить близкие к 50 Ом значения входного импеданса, что упрощает процесс импедансного согласования [9].

Малая эффективность излучения

Эффективность erad изучения антенны (отношение величины излученной мощности Prad к подведенной Pin) является критически важным параметром, позволяющим при прочих равных повысить скорость обмена данными в канале или его дальность.

Из [12], [13] известно, что эффективность излучения erad как для электрического , так и магнитного  диполей прямо пропорциональна размерам антенны a и обратно пропорциональная толщине скин-слоя металла δ:

Т.о. использование медного покрытия (толщина скин-слоя для 868 МГц 0,002 мм) несколько более выгодно с точки зрения эффективности излучения по сравнению с золочением (толщина скин-слоя для 868 МГц 0,003 мм).

В [14] показано, что использование многовибраторных монополей позволяет при том же линейном размере увеличивать сопротивление излучение, и как следствие, эффективность излучения.

Для практического случая, когда антенна подключена к РТ через согласующую цепь, целесообразно оценивать эффективность излучения антенны ea и цепи согласования совместно ems – эффективность системы eS [15]:

При этом величина потерь, вносимых элементами СЦ может превалировать. Например, типовое значение добротности многослойной чип-индуктивности формата 0402 для частоты 1 ГГц составляет порядка 60-80, т.е. для номинала, например, 30 нГн, подключенного последовательно для импедансного согласования короткого вибратора, величина активного сопротивления составить 3-2 Ом, что соизмеримо с сопротивлением излучения самого вибратора. Добротность же аналогичных емкостей обычно превышает 1000. Поэтому при возможности следует исключать индуктивности из ЦС.

Нахождение объектов конструкции устройства в зоне реактивного поля ЭМА

Радиус ближней зоны Rnz ЭМА, в отличии от радиуса «полноразмерных» антенн, определяется выражением [16] и не зависит от максимального размера ЭМА:

При этом значение радиуса ближней зоны, рассчитанное по формуле для «полноразмерных» антенн, с учетом ее максимального размера:

       

применительно к ЭМА даст меньшее значение, что может повлечь ошибки, т. к. наличие объектов устройства в ближней зоне антенны оказывает сильное влияние на ее свойства и должно быть учтено в процессе компьютерного моделирования.

Заключение

ЭМА являются широко востребованными для современных малогабаритных, портативных и мультистандартных с точки зрения каналов связи устройств. Однако процесс разработки характеризуется специфическими факторами, которые не позволяют применить стандартную теорию антенн. В статье рассмотрены некоторые основные публикации, от классических до относительно современных, посвящённые особенностям разработки ЭМА.

 

ЛИТЕРАТУРНЫЕ ИСТОЧНИКИ

  1. Breed, Basic Principles of Electrically Small Antennas, High Frequency Electronics 2007
  2. Miron, Small Antenna Design, Newnes 2006.
  3. L.J. Chu, “Physical limitations of omni-directional antennas,” Journal of Applied Physics, Vol. 19, No. 12, 1948, pp. 1,163-1,175.
  4. Wheeler, H. A. ‘Fundamental limitations of small antennas,’ Proc. of the IRE, 1947, 1479-1488.
  5. N. Abdallah, Electrically Small Antennas Design Challenges, 2015 IEEE.
  6. Fujimoto et aI., Small Antennas, England, Research Studies Press, New York, John Wiley and Sons, 1987.
  7. K. Sharma, Meet the Challenge of Designing Electrically Small Antennas, Microwaves and Rf, August 2017.
  8. С. В. Балландович, Предельная добротность электрически малых антенн, вписанных в цилиндр и эллипсоид, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина), УДК 621.396.67.
  9. Mukesh R. C., Electrically Small Antenna: the art of miniaturization, International Journal of Advanced Research in Computer Engineering & Technology (IJARCET) Volume 5 Issue 2, February 2016.
  10. Bode, Network Analysis and Feedback Amplifier Design, New York: Van Nostrand, 1947, p. 367.
  11. M. Fano, “Theoretical Limitations on the Broadband Matching of Arbitrary Impedances,” J. Franklin Inst., vol. 249, pp. 57–83, Jan. 1950, and pp. 139-155, Feb.1950.
  12. Pfeiffer, Upper Bounds on the Radiation Efficiency of Electrically Small Antennas, 2017 IEEE.
  13. R. Best and A. D. Yaghjian, “The lower bounds on Q for lossy electric and magnetic dipole antennas,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 3, pp. 314–316, 2004.
  14. Best, S.R., "The Performance Properties of Electrically Small Resonant Multiple-arm Folded Wire Antennas," Antennas and Propagation Magazine, IEEE, vol.47, no.4, pp.13, 27, Aug. 2005.
  15. S. Smith, "Efficiency of electrically small antennas combined with matching networks," IEEE Trans. on Antenn. and Propag., vol. 25, pp.369-373, 1977.
  16. Wheeler, The radiansphere Around a Small Antenna, 1959.
Вернуться к блогу Встраиваемые антенны

Ваша форма успешно отправлена!

Связаться с нами
Ваше сообщение успешно отправлено!
Поле обязательно для заполнения Превышен лимит в 40 символов
Превышен лимит в 512 символов
Введите ваш вопрос
Неверный формат файла
Поле обязательно для заполнения Поле обязательно для заполнения Согласитесь с правилами сбора персональных данных