Antennen und Grundplatten

Es gibt viele, viele verschiedene Designs für Antennen, und einige Designs sind ziemlich ungewöhnlich. Antennen verwenden üblicherweise eine Masseebene, aber dies ist keine strikte Anforderung. Eine Rahmenantenne und ein Dipol sind zwei Beispiele, die keine Grundplatte benötigen.

Die Grundvoraussetzungen für eine Antenne sind:

1. eine gute Anpassung an die Schaltung, die sie antreibt (und fast immer resonant bei der Betriebsfrequenz), so dass die größtmögliche Leistung in die Antenne gesteckt werden kann, und

2. Strom fließt entlang seiner Länge, so dass die resultierenden Felder diese Energie in den Raum abstrahlen. (Empfangsantennen sind genau dieser umgekehrte Vorgang).

Punkt (2) erklärt, warum Sie nicht einfach einen kleinen Schwingkreis auf eine Platine kleben und erwarten können, dass er effizient strahlt.

Punkt (1) fällt generell unter das Thema „Tuning“, wo man die Antenne in Resonanz bringt oder wo immer sie abgestimmt werden sollte. Eine Dipolantenne ist effektiv eine resonante Drahtlänge, die in der Mitte gebrochen ist, damit der Speisepunkt eingefügt werden kann. Eine "Groundplane"-Antenne entfernt die Hälfte des Dipols und ersetzt diese durch die Groundplane. Die Induktivität des Strahlungselements arbeitet mit der Kapazität zwischen ihm und der Erdungsebene zusammen, um den Resonanzkreis zu bilden, der der Antenne die richtige Abstimmung verleiht. Bei dieser Verwendung kann die Masseebene als "Gegengewicht" bezeichnet werden.

Eine spiralförmige Antenne wickelt den Strahler etwas auf, um die Induktivität zu erhöhen und die Länge zu verkürzen. Das Kürzen der Antenne beeinträchtigt, wie bereits erwähnt, ihre Leistung.

Bisher haben wir einen gewickelten Heizkörper, der über einer Grundebene herausragt. Aber sie haben eine oberflächenmontierte Version, die parallel zur Platine liegt. Ich kann dem Datenblatt nicht entnehmen, ob beide Enden verbunden sind, aber ich muss vermuten, dass ein Ende noch offen ist ... es ist nur festgelötet, um es an Ort und Stelle zu halten. Wenn Sie diese Anordnung zu nahe an die Masseebene bringen, fügt sie der Schaltung Kapazität hinzu und verstimmt sie auf eine niedrigere Frequenz. Ein Teil der Energie wird auch an den Boden gekoppelt und geht verloren oder stört zumindest das beabsichtigte Strahlungsmuster.

"Ich dachte immer, Sie sollten Ihren Antennenspeisepunkt im Grunde direkt über einer Grundplatte haben (oder in eine Durchgangsbohrung einbetten)"

Dies gilt nur für einige Antennen.

Ganz allgemein : Versuchen Sie, die Antenne so weit wie möglich von elektrisch leitenden Materialien fernzuhalten, insbesondere von Metalloberflächen.

Ausnahme: Jede Antenne hat eine bestimmte Feldkonfiguration (E-Feld & H-Feld). Metalloberflächen sind in Ordnung, solange sie streng senkrecht zum E-Feld stehen. Das Problem mit leitfähigen Oberflächen ist, dass sie das E-Feld kurzschließen (es auf 0 zwingen). Solange das E-Feld genau senkrecht auf die Oberfläche trifft, ist die Oberfläche in Bezug auf das E-Feld äquipotential, und die Feldkonfiguration bleibt ungestört.

Die Ausnahme wird am häufigsten erfüllt, wenn Ihre Antenne eine symmetrische Eigenschaft aufweist. Ein kompletter Dipol hat zB zwei Achsen, Speisepunkt in der Mitte. In der Ebene senkrecht zum Dipol, direkt am Speisepunkt, steht das E-Feld zufällig senkrecht zur Ebene. Sie können also eine Achse des Dipols durch eine "Masseebene" ersetzen, Einspeisepunkt genau dort, wo der jetzt Monopol auf die Masseebene trifft. Dies gilt auch für einige andere häufig verwendete Antennen.

Andererseits können Sie den Effekt als Teil des Antennendesigns verwenden, um das E-Feld in eine bestimmte Konfiguration zu zwingen. Dies wird zB bei einigen Richtantennen gemacht.

Nahfeld vs. Fernfeld : Das Feld einer Antenne kann in Nahfeld und Fernfeld kategorisiert werden. Feldstörungen im Nahfeld sind im Allgemeinen katastrophal in Bezug auf die beabsichtigte Antennenleistung, Feldstörungen im Fernfeld wirken sich nur auf die Leistung in Richtung der Störung aus. Wo das Nahfeld aufhört und das Fernfeld beginnt, ist nicht offensichtlich: Manche Antennen sind empfindlicher als andere. Als Faustregel gilt: Alles 3-5 Lambdas entfernt ist definitiv Fernfeld. Alles, was näher ist, kann die Antenneneigenschaften beeinträchtigen oder auch nicht, indem es ihre Mittenfrequenz, Richtwirkung, Anpassung usw. verändert.

Die Betonantenne , auf die Sie sich beziehen, hat eine spiralförmige Form. Diese Diplomarbeit über Wendelantennen behandelt Wendelantennen anhand von zwei Modellen:

1. gefalteter Dipol (Umfang << Wellenlänge): verhält sich ungefähr wie ein Dipol
2. axial strahlende Wendelantenne (Umfang ≈ Wellenlänge)

Dem Strahlungsdiagramm nach zu urteilen, liegt die betrachtete Antenne irgendwo zwischen diesen beiden Extremen, zumindest wenn sie senkrecht zur Masseebene montiert ist. In diesem Fall steht das E-Feld streng senkrecht zur Masseebene. Der Einspeisepunkt sollte genau auf der Grundebene liegen und die Grundebene sollte sich optimal einige Zentimeter in alle Richtungen um den Einspeisepunkt herum erstrecken.

Wenn die Antenne parallel zur Masseebene montiert wird, wird sie das E-Feld kurzschließen. Die Grundplatte verändert die Nahfeldkonfiguration grundlegend und muss daher als Teil der Antennenkonfiguration betrachtet werden. Im Endeffekt blicken Sie jetzt auf eine ganz andere Antenne, weshalb die Theorie in der verlinkten These nicht mehr zutrifft. Ich wette, die Antenne wird auch einen angemessenen HF-Pegel in die Grundebene induzieren (normalerweise als problematisch angesehen). Wie Sie dem Strahlungsdiagramm entnehmen können, ist die neue Antenne auch ziemlich gerichtet mit praktisch keiner Strahlung in Richtung der Grundebene.

Ich habe keine Ahnung, warum es vorteilhaft ist, einen minimalen Abstand zwischen Antenne und Grundplatte einzuhalten. Vielleicht, um Verluste in der Grundebene einzudämmen, könnte aber genauso gut auf Anpassung oder Abstimmung oder Richtwirkung oder alles zusammen zurückzuführen sein.

Zitat von Seite 10 des Papiers "Improved Performance of a Radio Frequency Identification Tag Antenna on a Metal Ground Plane" :

Wenn der Abstand zwischen Metall und Antenne viel weniger als eine Viertelwellenlänge beträgt, beginnen die Antenneneigenschaften zu leiden, da die reflektierte Welle eine Phasenverschiebung von annähernd 180 Grad aufweist und eine Phasenverschiebung von 180 Grad eine totale destruktive Interferenz mit dem ankommenden Signal verursacht direkt von der Antenne.

Nicht die gleiche Antennenform (richtig?), aber hoffentlich trotzdem nützliche Informationen.

Auch potenziell nützlich: "The Effects of a Metal Ground Plane on RFID Tag Antennas" .

Ich bin auch kein HF-Experte, möchte aber meine Erfahrung als Antwort posten, da das Kommentarfeld zu vollgestopft erscheint.

Und ja, das ist wirklich seltsam! Bei allen Antennen, mit denen ich gearbeitet habe, war der Antennenspeisepunkt immer über einer Grundebene, die HF-Spur zur Antenne erfüllt einen bestimmten maximalen Abstand und eine bestimmte Dicke Die Antenne befindet sich am Rand ohne Masseebene.

Viele Dokumente schlagen vor, wie die Impedanz an die Frequenz angepasst werden kann, aber meiner Erfahrung nach kann ich einen Balun ohne zusätzliche Abstimmkomponenten verwenden, wenn ich die HF außerhalb der gedruckten Leiterplatte halte, und alles funktioniert gut.

Mir ist aufgefallen, dass du von 433 MHz sprichst. Die meisten meiner Erfahrungen sind in 2,4 GHz.

Es ist möglich, dass sich Ihr Speisepunkt bei Sub-Giga-Frequenzen überhaupt nicht über einer Masseebene befinden muss, solange Ihre Spule die Frequenz kompensiert ... was bei diesen Frequenzen sowieso nicht so genau ist.

Dieses Dokument von TI , auch dieses und auch dieses, könnte Ihnen helfen, besser zu verstehen, wie Sie mit Ihrem Engineering umgehen sollen. Es bezieht sich auf die häufig verwendeten Frequenzen und auf die Fehlerbehebung bei HF-Problemen.

Ich kann keine definitive Antwort geben, da die Welt der HF sehr kompliziert und sensibel ist. Ich hoffe, dies kann Ihnen helfen, Ihre Antwort zu finden.

Wenn Sie sich das Diagramm ansehen, zeigen sie Ihnen ein Oberflächenmontage-Layout - die Pads haben den gleichen Abstand wie die Länge der Spule - und ich denke, dass der "Abstand von 0,5 Zoll von der Grundebene" genug Platz ist, um die 0,35 Zoll aufzunehmen Spule mit Durchmesser - ich denke, die Idee ist, zu vermeiden, dass die gesamte Antenne in einem Bruchteil eines Millimeters flach auf einer Kupferbodenschicht liegt - sie versuchen, die parasitären kapazitiven Effekte zu vermeiden, die dies verursachen könnten