Перевернутая F-антенна — это тип антенны, используемой в беспроводной связи , в основном на частотах UHF и СВЧ . Она состоит из монопольной антенны, работающей параллельно плоскости заземления 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, что позволяет ей размещаться в корпусе мобильного устройства, и ее импеданс может быть согласован разработчиком с контуром питания, что позволяет ей эффективно излучать мощность без необходимости использования внешних согласующих компонентов.
Антенна Inverted-F была впервые задумана в 1950-х годах как антенна с изогнутой проволокой. Однако наиболее широкое применение она получила в качестве плоской антенны Inverted-F ( PIFA ) в мобильных беспроводных устройствах из-за ее свойств экономии пространства. PIFA можно печатать с использованием формата микрополосковой антенны , широко используемой технологии, которая позволяет изготавливать печатные радиочастотные компоненты как часть той же печатной платы, которая используется для монтажа других компонентов.
PIFA — это разновидность патч-антенны . Существует множество вариантов этой и других форм перевернутой F-антенны, которые реализуют широкополосные или многополосные антенны. Методы включают связанные резонаторы и добавление щелей.
Перевернутая F-антенна является развитием широко используемой четвертьволновой монопольной антенны , которая состоит из проводящего стержня, установленного перпендикулярно над проводящей заземляющей плоскостью , питаемой у ее основания. Проволочная F-антенна была изобретена в 1940-х годах. [1] В этой антенне питание подключено к промежуточной точке по длине антенны, а не к основанию, а основание антенны подключено к заземляющей плоскости. Преимущество такого подхода заключается в том, что входное сопротивление антенны зависит от расстояния точки питания от заземленного конца. Часть антенны между точкой питания и заземляющей плоскостью по сути ведет себя как короткозамкнутый шлейф . Таким образом, разработчик может согласовать антенну с сопротивлением фидерной линии, установив положение точки питания вдоль элемента антенны.
Антенна Inverted-L представляет собой монопольную антенну, изогнутую так, чтобы она шла параллельно плоскости земли. Она имеет преимущество компактности и более короткой длины, чем монополь, но недостаток в очень низком импедансе, обычно всего несколько Ом, если питается у основания, в то время как монополь с питанием от основания имеет импеданс 36,5 Ом. [2] Антенна Inverted-F объединяет преимущества обеих этих антенн; она имеет компактность Inverted-L и способность согласовывать импеданс цепи питания (часто 50 Ом на печатной плате), как и антенна F-типа. [3]
Перевернутая F-антенна была впервые предложена в 1958 году группой ученых из Гарварда под руководством Рональда У. П. Кинга . [4] Антенна Кинга имела проволочную форму и предназначалась для использования в ракетах для телеметрии . [5]
Планарная перевернутая F-антенна (PIFA) используется для беспроводных схем, реализованных в микрополосковой схеме . Формат микрополосковой схемы является форматом выбора для современной радиочастотной электроники. Он может использоваться для реализации требуемых распределенных элементов радиочастотных компонентов, таких как фильтры , и в то же время 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 плоскость была удалена из-под антенны. Однако другой подход - это модифицированная патч-антенна , закороченная патч-антенна . В этом подходе один край патча или некоторая промежуточная точка заземляется с помощью заземляющих штырей или переходных отверстий через заземляющую плоскость. Это работает по тому же принципу, что и перевернутая F-антенна; при взгляде сбоку можно увидеть форму F, просто элемент антенны очень широкий в горизонтальной плоскости. [6] Закороченная патч-антенна имеет более широкую полосу пропускания, чем антенна с тонкой линией, из-за большей площади излучения. [7] Как и антенна с тонкой линией, закороченная патч-антенна может быть напечатана на той же печатной плате, что и остальная часть схемы. Однако они обычно печатаются на своей собственной плате или на диэлектрике, прикрепленном к основной плате. Это делается для того, чтобы антенна могла быть подвешена и эффективно находиться в воздушном диэлектрике, находилась на большем расстоянии от плоскости заземления, чем это было бы в противном случае, или чтобы используемый диэлектрик был более подходящим материалом для характеристик радиочастот . [8]
Термин PIFA зарезервирован многими авторами (например, Санчес-Эрнандес [9] ) для короткозамкнутой патч-антенны, где антенный элемент широкий с заземляющей плоскостью внизу. Тонкий линейный тип перевернутых F-антенн с заземляющей плоскостью с одной стороны, как A и B на схеме, просто называется IFA, даже если они в плоском формате. Автор может даже назвать IFA этого типа печатной перевернутой F-антенной, но все равно зарезервировать PIFA для короткозамкнутого патч-типа (например, Холл и Ван [10] )
Обычная конфигурация для короткозамкнутой патч-антенны заключается в том, чтобы разместить закорачивающий штифт как можно ближе к одному углу, а штифт питания — относительно близко к закорачивающему штифту. В этой конфигурации резонансная частота приблизительно определяется как,
Эта формула справедлива только в том случае, если на антенну не влияют близлежащие диэлектрики, такие как корпус устройства. [11]
Еще одна разновидность, с которой можно столкнуться, — это меандрированная перевернутая F-антенна (MIFA). Если на плате недостаточно места для удлинения антенны до полной требуемой длины, антенну можно сделать меандрированной, чтобы уменьшить ее высоту, сохранив при этом ее проектную электрическую длину. [12] Это можно сравнить со спиральной антенной, как в антенне резиновой утки . [13]
Перевернутые F-антенны имеют узкую полосу пропускания. Более широкую полосу пропускания можно получить, удлинив антенну, что увеличит ее сопротивление излучению . Другое решение — разместить две антенны в непосредственной близости. Это работает, поскольку связанные резонаторы имеют полосу пропускания шире, чем полоса пропускания любого резонатора по отдельности. Большинство методов создания многополосных антенн также эффективны для расширения полосы пропускания. [14]
Потребность в многодиапазонных антеннах возникает в мобильных устройствах, которым необходимо перемещаться между странами и сетями, где используемые диапазоны частот часто могут отличаться. Возможно, наиболее концептуально простая конструкция, впервые представленная в 1997 году, [16] заключается в том, чтобы вложить две антенны PIFA одна в другую. Другой метод заключается в том, чтобы вставить одну или несколько ответвлений в патч, что приводит к эффекту связанных резонаторов, расширяющих полосу. Другие методы основаны на генерации нескольких мод , что делает конструкцию более компактной. Примерами этого являются шаблон C-slot, который похож на шаблон встречно-штыревого фильтра , и плотно извилистый шаблон, показанный на схеме как C и D соответственно. [17]
Антенны Inverted-F широко используются в компактных портативных беспроводных устройствах, где пространство в дефиците. Сюда входят мобильные телефоны и планшетные компьютеры, использующие беспроводную передачу данных, такую как GSM , Bluetooth и Wi-Fi . [18] Плоская антенна Inverted-F является наиболее часто используемой внутренней антенной в конструкциях мобильных телефонов. [19]
Эти антенны также используются для телематики транспортных средств . Производители транспортных средств любят использовать антенны, которые следуют контурам транспортного средства по стилю и аэродинамическим причинам. Многополосные PIFA могут использоваться для объединения антенных каналов для мобильного телефона, спутниковой навигации и автомобильного радио . [20]
Эти антенны использовались для телеметрических приложений на военных испытательных полигонах, в том числе тех, которые поддерживают стандарты Inter-Range Instrumentation Group . [21]
R-образный двухдиапазонный PIFA был предложен для использования на военных транспортных средствах. Диапазоны, которые должны быть охвачены, составляют 225 МГц и 450 МГц. Эти частоты находятся в том же соотношении, что и диапазоны GSM мобильных телефонов на 900 МГц и 1,8 ГГц, поэтому конструкция может быть использована для этого приложения, если размеры будут уменьшены до подходящих размеров. [22]
