Типы и конструкции встраиваемых антенн
Типы и конструкции встраиваемых антенн
10 сентября 2021
Время чтения 10 минут
Типы и конструкции встраиваемых антенн
Тарас Парфенович

Типы и конструкции встраиваемых антенн

10 сентября 2021

Эта статья посвящена описанию некоторых популярных типов конструкции встраиваемых малых антенн (МА) и основана на собственном опыте более чем трехлетней коммерческой разработки и настройки таких устройств.

Прежде, чем переходить к описанию конкретных конструкций электрически малых антенн, надо отметить, что само понятие «малые антенны» включает в себя четыре класса антенн [1]:

А) Электрически малые антенны (ЭМА) – под электрически малыми понимаются антенны с максимальными габаритами, не превышающими произведение k·a, где k – волновое число, а а – радиус воображаемой сферы, называемой сферой Чу (Chu sphere), охватывающий рассматриваемую антенну [2]. Примерами таких антенн являются короткий диполь, антенны с меандровой или спиральной секцией и т. д. Для того, чтобы получить ЭМА можно использовать один из следующих базовых принципов:

  • понизить резонансную частоту;
  • полностью использовать объем, отведенный под антенну;
  • добиться равномерного распределения тока вдоль проводника;
  • увеличить количество излучаемых мод;
  • использовать структуры для поверхностных волн.

Б) Функционально малые антенны (ФМА) – исходные размеры антенны остаются неизменными, однако структура антенны изменяется путем включения специальных компонентов, что расширяет первоначальный функционал антенны, например несколько рабочих частотных диапазонов.

В) Физически ограниченные малые антенны (ФОМА) – малые антенны, один из размеров которых соответствует критерию ЭМА. Сюда можно отнести пэтч-антенны, микрополосковые антенны, взаимокомплиментарные антенны.

Г) Физически малые антенны (ФМА) – включают остальные малые антенны, не подходящие под критерии трех первых групп, например, короткая дипольная антенна с ёмкостной нагрузкой.

 Для того, чтобы легче ориентироваться в разнообразии типов электрически малых антенн (ЭМА) предлагается следующая упрощенная классификация:

По типу возбуждения:

  • Несимметричные – возбуждение подключается между излучающим проводником и «землей». Имеют, как правило, в два раза меньшие габариты, чем симметричные антенны. Сюда относятся: монополи, IFA, пэтч-антенны и т.д.
  • Симметричные – конструкция антенны симметрична (или почти симметрична) относительно точки возбуждения, фаза возбуждающего сигнала на зажимах различается на 180 градусов. Сюда можно отнесенности диполь, рамки, двойная IFA. Данные тип антенн характеризуется возможность подавлять синфазные шумовые помехи на входе приемника.

По типу изготовления:

  • Печатные – выполняются в виде печатного проводника специальной конфигурации на плате. Технологичны и дешевы (зависит от сложности конструкции и тип материала печатной платы (ПП)). Характеризуются наличием потерь мощности радиочастотного (РЧ) сигнала в диэлектрике ПП и, как следствие, более низкой эффективностью излучения (сравнительно с двумя следующими типами антенн).
  • Проволочные – представляют собой проволочные проводник специальной конфигурации, расположенный в воздухе или в среде с диэлектрической проницаемостью близкой к 1 (полимерные вспененные материалы). Имеют высокую эффективность излучения, но сложны в изготовлении (по сравнении с первым типом).
  • Комбинированные или гибридные – часть антенны выполняется в виде проводника в воздухе (чаще, это излучатель), а часть (обычно, это элемент подстройки) – в виде печатного проводника на плате. Это позволяет объединить достоинства двух первых типов антенн, а именно технологичность производства и высокую эффективность излучения.

Поскольку для случая встраиваемых антенн чаще всего нет возможности разместить обычную конструкцию резонансной длины, то широко применяются различные методы укорочения антенн: усложнение конструкции (сгибание, меандр и др.) реактивная и диэлектрическая нагрузка, увеличение величины диэлектрической проницаемости материала ПП и т. д. [2, стр. 1334].

Описание некоторых типов ЭМА, используемых в коммерческой разработке

Описание типов антенн начнем с простейших и будем двигаться к более сложным конструкциям. Для каждого типа базовой конфигурации будут приведены типовые характеристики. Актуальные характеристики конкретных образцов могут сильно отличаться от приведенных в результате влияния полной конструкции антенны в сборке со всем устройством. Для определения точных внешних (параметры диаграммы направленности (ДН), коэффициент направленного действия (КНД)) и внутренних параметров (входной импеданс) антенны следует использовать компьютерную симуляцию или экспериментальное исследование.

 Сразу отметим, что для всех типов приведенных ниже антенн возможны два варианта исполнения: печатный и проволочный. Возможность комбинированного варианта исполнения отдельно будет описано ниже.

1. Монополь (несимметричный вибратор) – представляет собой изолированный проводник над металлическим заземленным экраном (см. рис. 1) [2, стр. 189].

Рис. 1 - Монопольная антенна базовая конструкция.

С целью уменьшения габаритов (полная длина составляет λ/4, где λ – длина электромагнитной волны (ЭМВ), соответствующая центральному значению частоты f0 рабочего частотного диапазона ∆f)) используют сгибание излучателя (см. рис. 1.1), спиральные секции (см. рис. 1.2), а также меандр для печатного исполнения, укорочение длины (λ/8), реактивная нагрузка [4 стр. 43].

На рис. 1.1 приведено фото изогнутой монопольной антенны. При прокладке проводника антенны следует избегать участков, где параллельные участки имеют встречное направление СВЧ тока, а также вблизи обширных заземленных металлических полигонов. Полужесткая конструкция излучателя позволяет обеспечить повторяемость характеристик для многих образцов.

Рис. 1.1 – Вид изогнутой полужесткой монопольной антенны модема, помещённой в корпус.

На рис. 1.2 приведено фото двух образцов внешне схожих антенн, заказанных у различных производителей, однако имеющие различные входные сопротивления, что связано, скорее всего, различной длиной шага спирали. Т. о. необходимо предварительно проверять характеристики первой партии образцов антенн при смене производителя.

Рис. 1.2 – Вид изогнутой полужесткой монопольной антенны со спиральной секцией.

Типовые параметры базового монопольного излучателя над конечным проводящим экраном.

Важно!

Антенна тип монополь излучает крайне неэффективно, будучи размещенной вплотную к поверхности ПП, имеющей в этой области сплошную или фрагментарную металлизацию (см. рис. 1.3). Для повышения эффективности излучения необходимо обеспечить зазор между проводником антенны и поверхностью ПП.

1.3). Для повышения эффективности излучения необходимо обеспечить зазор между проводником антенны и поверхностью ПП.

Рис. 1.3 – Гибкий проволочная монопольная антенна уложена вплотную к металлизации ПП, что привело к резкому уменьшению дальности работы устройства вследствие низкой эффективности излучения такой конструкции.

2. Диполь (симметричный полуволновой вибратор) – представляет собой два проводника, в простейшем случае лежащие на одной прямой (рис. 2) длиной λ/4 каждый и возбуждаемые с фазовым сдвигом 180. [2, стр. 176] С целью уменьшения габаритов используют сгибание излучателей (см. рис. 2.1) (наклон, спираль, меандр), укорочение длины (λ/8), реактивная нагрузка.

Рис. 2 – Дипольная антенна базовая конструкция.

На рисунке 2.1 представлена дипольная антенна со спиральными секциями, позволяющими значительно уменьшить резонансные размеры излучателя.

Рис. 2.1 – Внешний вид диполя проволочного со спиральными секциями

3. Рамочная антенна (магнитный диполь) – представляет собой замкнутый проводник с периметром кратным λ/2, возбуждаемые с фазовым сдвигом 180 [2, стр. 235]. В середине проводника имеется точка нулевого потенциала, что позволяет крепить две части антенны к земляному полигону ПП, повышая таким образом его механическую прочность. Типовая конструкция представлена на рис. 3.

Рис. 3 – Типовая конструкция рамочной антенны.

Для придания технологичности и механической прочности конструкции часть рамочной антенны может быть выполнена в виде печатного проводника. Применение длинных спиральных секций позволяет существенно уменьшить резонансные размеры антенны (см. рис. 3.1).

Рис. 3.1 – Внешний вид комбинированной рамочной антенны со спиральными секциями

Для настройки рамочной антенны можно применять подстроечный шлейф. Внешний вид таких антенн на частотные диапазоны 434 и 868 МГц представлен на рис. 3.2 (а и б). Антенна имеет симметричное подключение и представлена проволочным участком и подстроечным шлейфом. Проволочный участок разбит на две дуги с двухточечным креплением для повышения механической прочности.

А

Б

Рисунок 3.2 – Внешний вид антенн: А – симметричные проволочные участки; Б – симметричные подстроечные шлейфы.

4. Инвертированная F-антенна (IFA, в печатном исполнении – PIFA, в проволочном исполнении - WIFA) [2, стр. 838, 843]. Конструкция антенны представлена на рис. 4. Частотный диапазон определяется размерами антенны. Местом положения точки возбуждения можно обеспечить требуемое импедансное согласования, однако при этом происходит частотная перестройка импедансного согласования.

Рис. 4 – Внешний вид PIFA.

К достоинствам такой антенны можно отнести малые габариты и возможность расположения длинного проводника вблизи заземленных полигонов ПП, поскольку излучение формируется в зазоре между длинным проводником и «земляным» проводником ПП.

На рис. 4.1 представлен вариант размещения PIFA под ЖКИ дисплеем устройства.

Рис. 4.1 – Внешний вид PIFA, размещенной на обратной стороне ЖКИ дисплея.

Отдельно хочется выделить комбинированную или гибридную IFA (HIFA), где излучающая часть выполнена в виде проволочного проводника, а подстроечный шлейф – в виде печатного проводника (см. рис. 4.2). В результате повышается эффективность излучения (за счет отсутствия потерь в диэлектрике между излучателем и заземленным проводящим полигоном ПП) и технологичность конструкции. Кроме того, использование реактивной (емкостной) нагрузки позволяет значительно (в 2 раза и более) снизить резонансные размеры антенны (рис. 4.3).

Рис. 4.2 – Антенна состоит из двух частей: проволочный проводник, печатный проводник на плате.

Рис. 4.3 – Внешний вид антенн HIFA 434 и 868 МГц c реактивной (емкостной) нагрузкой.

5. Двойная (симметричная) инвертированная F-антенна (DIFA) – представляет собой две объединенные по заземляющему проводнику IFA с противофазным возбуждением (см. рис. 5). Представленная конструкция в дополнение к достоинствам обычной IFA имеет полезное свойство подавления шумовой помехи на входе приемника.

Рис. 5 – Базовая конструкция печатной DIFA.

На рис. 5.1 двухслойный вариант, размещенный в углу печатной платы устройства, А представлен слой 1, на рис. 5 В – слой 2. 

Рис. 5.1 – Внешний вид печатной DIFA (двустороння печать).

Заключение

В статье приведена базовая классификация и кратко рассмотрены некоторые типы ЭМА, имеющие широкое применение в качестве встраиваемых антенн. Приведены такие популярные конструкции, как короткие монополи, диполи, рамочные антенны и IFA. Кратко обсуждаются вопросы минимизации размеров, изготовления и размещения антенн.

Литературные источники

  1. Fujimoto, Antennas for small mobile terminals, Artech House, 2018.
  2. A. Balanis, Antenna theory analysis and design, fourth edition, Wiley, 2016.
  3. N. Chen, Handbook of Antenna Technologies, Springer, 2016.
  4. Fujimoto, Modern Small Antennas, Cambridge University Press, 2013
Вернуться к блогу Особенности разработки электрически малых антенн

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