Demonstrarea diversității antenei, partea 2: PIFA

Antenele sunt disponibile într-o varietate de dimensiuni, stiluri și configurații pentru a îndeplini frecvența, lățimea de bandă, directivitate și multe alte obiective; Antena PIGA și Yagi sunt două versiuni diferite, dar utilizate pe scară largă.

Figura 1. Monopolul clasic a trecut prin mai multe etape evolutive, IFA fiind a treia etapă, imediat precedând PIGA. (Imagine: Biblioteca digitală a Uniunii Europene)

Prima parte a acestei serii din trei părți pregătește scena explicând câte dintre antene de astăzi se bazează pe unul dintre cele două concepte. O parte a soluției la dilema antenei cu un singur multiplu este să se uite la configurații care oferă noi opțiuni pentru designeri bazate pe monopoli sau dipoli, dar care nu sunt constrânse de factorul lor de formă de bază.

Un astfel de design de antenă este PIFA. Ce este un PIFA? Se începe cu antena F inversată (IFA) – propusă în 1958 – care este al treilea pas în evoluția de la antena monopol de bază și o variantă a antenei patch (figura 1). (Din lateral, seamănă oarecum cu litera „F”, de unde și numele.)

În acest aranjament, elementul monopol rulează paralel cu un plan de masă și împământat la un capăt, iar antena are o impedanță scăzută de ordinul câțiva ohmi (în contrast, lungimea de undă clasică λ/4 are o impedanță de 36,5 Ω. )
Alimentarea antenei este plasată într-un punct intermediar la mică distanță de capătul împământat. Prin ajustarea plasării sursei de alimentare și a altor „ajustări și ajustări”, impedanța acesteia poate fi adaptată la sursa amplificatorului de putere (PA), deci este un radiator eficient fără a fi nevoie de componente suplimentare de potrivire.

Antena originală F inversată a folosit un fir îndoit pentru un monopol. PIFA modifică IFA folosind un element plat plasat imediat deasupra planului de masă cu un știft de scurtcircuitare între ele. PIFA este definit de câteva dimensiuni de bază (figura 2).

Figura 2. (stânga) PIFA este un IFA modificat, cu un element plat mai degrabă decât un fir îndoit deasupra planului de masă; (dreapta) are doar câteva dimensiuni critice. (Imagine: Springer Nature; Biblioteca digitală a Uniunii Europene)

Pe lângă faptul că este rezonant la un sfert de lungime de undă și, prin urmare, reduce spațiul necesar pentru funcționarea completă a antenei, PIFA are și alte proprietăți de antenă de dorit, inclusiv un profil redus și un model omnidirecțional. Într-o analiză de prim ordin, frecvența de rezonanță critică a PIFA f_r este determinată de nişte dimensiuni de bază şi ecuaţii simple unde λ este lungimea de undă, ε_r este constanta dielectrică, de ex c este viteza luminii (vezi ecuații).

Aceste trei ecuații relativ simple folosesc dimensiunile PIFA și unele constante fizice pentru a calcula o analiză de ordinul întâi a frecvenței de rezonanță a PIFA. (Imagine: Biblioteca digitală a Uniunii Europene)

Desigur, la aceste ecuații trebuie să se adauge o analiză cuprinzătoare a câmpului electromagnetic pentru a ține seama de efectele franjurilor, grosimilor materialelor, componentelor din apropiere și altor considerații din lumea reală.

PIFA-urile gata de utilizare facilitează planificarea
PIFA-urile pot fi fabricate folosind tehnologia plăcilor microstrip. Folosirea plăcii PC ca plan de masă este, totuși, o provocare în practică, deoarece aceasta crește dimensiunea plăcii, limitează aspectul plăcii PC și reduce gradele de libertate pe care proiectantul le poate compromite.

Figura 3. Antena Taoglas FXUWB20.01.0100C UWB PIFA de la 3GHz la 10GHz măsoară 35 mm × 24,5 mm × 0,2 mm și este destinată aplicațiilor care utilizează benzi UWB comerciale de la 1 la 15. (Imagine: Taoglas)

În schimb, designerii aleg adesea să utilizeze PIFA standard, autonome, disponibile ca componente complete, cu performanțe și atribute definite. Acestea nu necesită spațiu pe placa de computer pentru planul lor de masă subiacent și chiar permit designerilor să utilizeze spațiul de deasupra plăcii.

De exemplu, Taoglas FXUWB20.01.0100C este un PIFA mic, flexibil, ultra-subțire pentru modele de bandă ultralargă (UWB) (UWB) de la 3 GHz la 5 GHz și de la 6 GHz la 10 GHz (Figura 3). Măsoară doar 35 mm × 24,5 mm × 0,2 mm și se atașează printr-un proces simplu de „cojire și lipire” pe suprafețele nemetalice folosind un adeziv. Acesta permite designerilor să folosească o singură antenă pentru a acoperi toate benzile UWB comerciale disponibile de la 1 la 15 simultan.

Figura 4. Antena Taoglas PIFA are o crestătură de câștig de 5,8 GHz pentru a atenua semnalele Wi-Fi nedorite. (Imagine: Taoglas)

Conexiunea electrică a antenei la PCB este simplă datorită cablului coaxial integrat de 100 mm lungime, terminat cu un conector SMA de 1,37 mm. Antena este concepută în mod deliberat să respingă semnalele Wi-Fi de 5,8 GHz în gama largă de canale UWB comerciale de la 3 GHz la 10 GHz (Figura 4).

Partea 3 (disponibilă pe 23 ianuarie 2023) privește antena Yagi-Uda, care este radical diferită de PIFA.

Conținut legat de EE World

Referințe externe

PIFA

1. EnOcean, Nota de aplicare 102, „Noțiunile de bază ale antenei – Considerații de bază privind proiectarea antenei pentru produsele bazate pe EnOcean”
2. Raymaps, „Antene pe Samsung Galaxy S”
3. Antenna-Theory.com, „Antenă F inversată (IFA)
4. Antenna-Theory.com, „PIFA – Antena plană în F inversat”
5. Biblioteca digitală a Uniunii Europene, „Pifa (Multiband Planar Inverted F Antenna) pentru aplicații ISM, WLAN și WiMAX”

antene Yagi

1. 1. Wikipedia, „antena Yagi-Uda”
   2. Note electronice, „Teoria antenei Yagi: Noțiuni de bază ale antenei Yagi”
   3. Toate RF, „Ce este o antenă Yagi?”
   4. Yagi, Hidetsu; Uda, Shintaro (februarie 1926). „Proiectorul celui mai ascuțit fascicul de unde electrice” (PDF). Actele Academiei Imperiale. Academia Imperială. 2 (2): 49-52. doi:2183/pjab1912.2.49. Preluat la 11 septembrie 2014.
   5. HamUniverse, „Design de bază de antenă Yagi pentru experimentator”
   6. Luxorion, „De la Longwire la Yagi”