Inverterad-F-antenn

En inverterad-F-antenn i en DECT- basstation (en teknik som används för trådlösa telefoner och liknande enheter)

En inverterad-F-antenn är en typ av antenn som används i trådlös kommunikation , främst vid UHF- och mikrovågsfrekvenser . Den består av en monopolantenn som löper parallellt med ett jordplan och jordad i ena änden. Antennen matas från en mellanliggande punkt ett avstånd från den jordade änden. Designen har två fördelar jämfört med en enkel monopol: antennen är kortare och mer kompakt, vilket gör att den kan hållas i den mobila enhetens hölje, och den kan impedansanpassas till matningskretsen av designern, vilket gör att den kan utstråla effekt effektivt, utan behov av främmande matchande komponenter.

Den inverterade F-antennen tänktes först på 1950-talet som en böjd trådantenn. Dess mest utbredda användning är dock som en plan inverterad-F-antenn ( PIFA ) i mobila trådlösa enheter för dess utrymmesbesparande egenskaper. PIFA kan skrivas ut med hjälp av microstrip- formatet, en allmänt använd teknik som gör att tryckta RF- komponenter kan tillverkas som en del av samma kretskort som används för att montera andra komponenter.

PIFA är en variant av patchantennen . Många varianter av detta, och andra former av inverterad-F, finns som implementerar bredbands- eller flerbandsantenner. Tekniker inkluderar kopplade resonatorer och tillägg av luckor.

Evolution och historia

En kvartsvåg monopol, B mellanmatad kvartsvåg monopol, C inverterad-L antenn, D inverterad-F antenn

Den inverterade F-antennen är en utveckling av den allmänt använda kvartsvågsmonopolantennen, som består av en ledande stav monterad vinkelrätt över ett ledande jordplan , matad vid dess bas. Trådantennen av F-typ uppfanns på 1940-talet. I denna antenn är matningen ansluten till en mellanliggande punkt längs antennens längd istället för till basen, och antennens bas är ansluten till jordplanet. Fördelen med att göra detta är att ingångsimpedansen hos antennen är beroende av matningspunktens avstånd från den jordade änden. Delen av antennen mellan matningspunkten och jordplanet beter sig i huvudsak som en kortslutningsstubb . Sålunda kan konstruktören anpassa antennen till matningsledningsimpedansen genom att ställa in positionen för matningspunkten längs antennelementet.

Den inverterade L-antennen är en enpolig antenn böjd för att löpa parallellt med jordplanet. Den har fördelen av kompakthet och en kortare längd än ${\tfrac {1}{4}}\lambda$ monopolen, men nackdelen med en mycket låg impedans, vanligtvis bara några ohm om den matas vid basen, medan en bas matad ${\tfrac {1}{4}}\lambda$ monopol har en impedans på 36,5 Ω . Den inverterade F-antennen kombinerar fördelarna med båda dessa antenner; den har kompaktheten av inverterad-L och förmågan att matcha impedansen hos matningskretsen (ofta 50 Ω på en tryckt krets) som F-typen.

Den inverterade F-antennen föreslogs först 1958 av gruppen vid Harvard ledd av Ronold WP King . Kings antenn var i trådform och var avsedd för användning i missiler för telemetri .

Planär implementering

A: tryckt inverterad-F-antenn, B: meandrad tryckt inverterad-F-antenn: C: patch-antenn: D: Planar inverterad-F-antenn (PIFA)

	Bräda utan jordplan		Tavla med jordplan
	Antennmatningsstift		Jordstift

En plan inverterad-F-antenn (PIFA) används för trådlösa kretsar implementerade i microstrip . Microstrip-formatet är det valda formatet för modern RF- elektronik. Den kan användas för att implementera nödvändiga distribuerade element RF-komponenter såsom filter , samtidigt som det är ekonomiskt eftersom samma massproduktionsmetoder används som för kretskort .

En tryckt inverterad-F-antenn kan implementeras i den klassiska inverterade-F-formen, vanligtvis på ena sidan av kretskortet där jordplanet har tagits bort från under antennen. Ett annat tillvägagångssätt är emellertid en modifierad patchantenn , den kortslutna patchantennen . I detta tillvägagångssätt är en kant av lappen, eller någon mellanliggande punkt, jordad med jordstift eller vias till jordplanet. Detta fungerar på samma princip som ett inverterat-F; sett i sidled kan F-formen ses, det är bara att antennelementet är väldigt brett i horisontalplanet. Den kortslutna patchantennen har en bredare bandbredd än den tunnlinjetypen på grund av den större strålningsarean. Liksom den tunna linjen kan den kortslutna patchantennen skrivas ut på samma kretskort som resten av kretsen. Emellertid skrivs de vanligtvis ut på sitt eget kort, eller på en dielektrikum som är fastsatt på huvudkortet. Detta görs så att antennen, kan hängas upp och effektivt vara i luftdielektrikum, är ett större avstånd från jordplanet än den annars skulle vara, eller så är den använda dielektrikum ett mer lämpligt material för RF- prestanda .

Termen PIFA är reserverad av många författare (t.ex. Sánchez-Hernández) för den kortade patchantennen där antennelementet är brett med jordplanet under. Den tunna linjetypen av inverterade-F-antenner med jordplanet åt ena sidan som A och B i diagrammet kallas bara IFA även om de är i plant format. En författare kan till och med kalla en IFA av denna typ för en tryckt inverterad-F-antenn men ändå reservera PIFA för den kortade patchtypen (t.ex. Hall och Wang.)

En vanlig konfiguration för en kortsluten patchantenn är att placera kortslutningsstiftet så nära ett hörn som möjligt med matarstiftet relativt nära kortslutningsstiftet. I denna konfiguration ges resonansfrekvensen ungefär av,

$f_{0}={\frac {c}{4(w+b){\sqrt {\varepsilon }}_{\mathrm {r} }}}$

där

₀ f är resonansfrekvensen

w , b är bredden och bredden av lappen

c är ljusets hastighet

εr _är substratets dielektriska konstant .

Denna formel gäller bara om antennen inte påverkas av närliggande dielektrikum, såsom enhetens hölje.

En annan variation som kan påträffas är den meandrade inverterade-F-antennen (MIFA). Om det inte finns tillräckligt med kortutrymme för att förlänga en antenn till den fulla erforderliga längden, kan antennen slingras för att minska dess höjd samtidigt som den behåller sin designade elektriska längd. Detta kan jämföras med spiralformningen av en antenn som finns i gummiduckyantennen .

Inverterade-F-antenner har smala bandbredder. En bredare bandbredd kan uppnås genom att förlänga antennen, vilket ökar dess strålningsmotstånd . En annan lösning är att placera två antenner i närheten. Detta fungerar eftersom kopplade resonatorer har en bandbredd som är bredare än bandbredden för endera resonatorn för sig. De flesta av teknikerna för att producera flerbandsantenner är också effektiva för att bredda bandbredden.

Flerbandsantenner

En dubbelbandstryckt inverterad-F-antenn från en PC-kortapplikation som tillhandahåller en nätverksgränssnittskontroller i 2,4 GHz- och 5,2 GHz-banden

Behovet av flerbandsantenner uppstår med mobila enheter som behöver roama mellan länder och nät där frekvensbanden som används ofta kan vara olika. Den kanske mest begreppsmässigt enkla designen, som först rapporterades 1997, är att kapsla två PIFA patch-antenner inuti den andra. En annan teknik är att föra in en eller flera utlöpare linjer i lappen, vilket har effekten av att kopplade resonatorer breddar bandet. Andra tekniker förlitar sig på att flera lägen genereras, vilket ger en mer kompakt design. Exempel på detta är C-slitsmönstret, som är ett liknande mönster som det interdigitala filtret , och det tätt slingrande mönstret som visas som C respektive D i diagrammet.

Flerbands PIFA-konstruktioner, A: kapslade PIFA-patchantenner, B: PIFA-patchantenn med två spårlinjer som producerar en trebandsantenn, C: en liknande tribandsantenn med C-platser, D: tätt slingrande inverterad-F

Ansökningar

Inverterade-F-antenner används i stor utsträckning i kompakta, handhållna trådlösa enheter där utrymmet är litet. Detta inkluderar mobiltelefoner och surfplattor som använder trådlösa överföringar som GSM , Bluetooth och Wi-Fi . Den plana inverterade-F-antennen är den mest använda interna antennen i mobiltelefondesigner.

Dessa antenner är också användbara för fordonstelematik . Fordonstillverkare gillar att använda antenner som följer fordonets konturer av stil och aerodynamiska skäl. Multiband PIFA kan användas för att kombinera antennflöden för mobiltelefon, satellitnavigering och bilradio .

Dessa antenner har använts för telemetriapplikationer vid militära testområden, inklusive de som stöder Inter-Range Instrumentation Group- standarder.

En R-formad dual-band PIFA har föreslagits för användning på militärfordon. Banden som ska täckas är 225 MHz och 450 MHz. Dessa frekvenser är i samma förhållande som mobiltelefonens GSM-band vid 900 MHz och 1,8 GHz så designen skulle kunna användas även för denna applikation om dimensionerna skulle nedskalas för att passa.

Bibliografi

• Ali, M.; Guangli Yang; Huan-Sheng Hwang; Sittironnarit, T., "Design och analys av en R-formad planar inverterad-F-antenn med dubbelband för fordonstillämpningar", IEEE Transactions on Vehicular Technology , vol. 53, iss. 1, s. 29–37, januari 2004.
• Barton, "Nosecone Inverted-F (IFA) for S-Band Telemetry", DTIC, 2017
•   Cohen, N., Fractal antenna applications in wireless telecommunications" , Professional Program Proceedings: Electronics Forum of New England, 1997 , s. 43–49, 6–8 maj 1997, IEEE ISBN 0780339878 .
•   Hall, Peter S.; Lee, E.; Song, CTP, "Planar inverted-F antennas", s. 197–227, i Waterhouse, Rod (red), Printed Antennas for Wireless Communications , John Wiley & Sons, 2008 ISBN 0470512253 .
•   Hall, Peter S.; Yang Hao, Antennas and Propagation for Body-Centric Wireless Communications , 2:a upplagan, Artech House, 2012 ISBN 1608073769 .
• Kervel, Fredrik, 868 MHz, 915 MHz och 955 MHz inverterad F-antenn , Texas Instruments, Design Note DN023 30 september 2011.
• Kin-Lu Wong, Yen-Yu Chen, Saou-Wen Su, Yen-Liang Kuo, " Diversity dual-band planar inverted-F-antenn for WLAN-drift" , Microwave and Optical Technology Letters , vol. 38, iss. 3, s. 223–225, 5 augusti 2003.
• King, Ronold WP; Harrison, CW, Jr.; Denton, DH, Jr., "Transmission-line missile antennas", Sandia Corp Technical Memo 436-58, vol. 14 november 1958.
• King, Ronold WP; Harrison, CW, Jr.; Denton, DH, Jr., "Transmission-line missile antennas" , IRE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 8, iss. 1, s. 88–90, januari 1960.
• Liu, ZD; Hall, PS; Wake, D., "Dual frequency planar inverted F antenna" , IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 45, iss. 10, s. 1451–1458, oktober 1997.
•   Petosa, Aldo, Frequency-Agile Antennas for Wireless Communications , Artech House, 2013 ISBN 1608077691 .
• Prasad, Shiela; King, Ronold WP, ​​"Experimentell studie av inverterade L-, T- och relaterade antenner för transmissionsledningar", Journal of Research av National Bureau of Standards, vol. 65, nr. 5, s. 449–454, september–oktober 1961.
•   Sánchez-Hernández, David A., Multiband Integrated Antennas for 4G Terminals , Artech House, 2008 ISBN 1596933984 .
•   Waterhouse, Rod; Novak, Dalma, "Wireless systems and printed antennas", s. 1–36, i Waterhouse, Rod (red), Printed Antennas for Wireless Communications , John Wiley & Sons, 2008 ISBN 0470512253 .
•   Yarman, Binboga Siddik, Design of Ultra Wideband Antenna Matching Networks , Springer, 2008 ISBN 1402084188 .