Antenas e Planos Terrestres

Estou olhando esta folha de dados para a antena ANT-433-HETH . Na caixa "Layout sugerido da placa", vejo uma dimensão denominada "Distância mínima ao plano do solo" de 0,5 polegadas.

Eu sempre pensei que você deveria basicamente ter o ponto de alimentação da antena diretamente sobre (ou incorporado no orifício de passagem) um plano de aterramento ... estou muito enganado?

É uma prática comum separar o ponto de alimentação da antena do seu plano de terra em (pelo menos) alguma quantidade?

A idéia de uma distância mínima para o plano terrestre também sugere a questão de qual é a distância "apropriada", porque se o plano terrestre estiver longe o suficiente, qual é o sentido?

Existem muitos projetos diferentes para antenas, e alguns são bastante incomuns. As antenas geralmente usam um plano de terra, mas esse não é um requisito estrito. Uma antena de loop e um dipolo são dois exemplos que não requerem um plano de aterramento.

Os requisitos básicos para uma antena são:

1. uma boa correspondência com o circuito que o aciona (e quase sempre ressonante na frequência de operação), para que seja possível colocar a maior potência possível na antena; e

2. tendo corrente fluindo ao longo de seu comprimento, de modo que os campos resultantes irradiem essa energia para o espaço. (As antenas receptoras são apenas esse processo ao contrário).

O item (2) explica por que você não pode simplesmente colar um pequeno circuito de tanque em uma placa e esperar que ele irradie com eficiência.

O item (1) geralmente se enquadra no tópico "sintonia", onde você coloca a antena em ressonância ou onde quer que ela tenha sido projetada para ser sintonizada. Uma antena dipolo é efetivamente um comprimento ressonante de fio quebrado no meio para permitir que o ponto de alimentação seja inserido. Uma antena de "plano de terra" remove metade do dipolo e substitui o plano de terra por isso. A indutância do elemento radiante trabalha com a capacitância entre ele e o plano de aterramento para formar o circuito ressonante que fornece o ajuste adequado da antena. Quando usado dessa maneira, o plano de terra pode ser chamado de "contrapeso".

Uma antena helicoidal enrola um pouco o radiador, para aumentar a indutância e diminuir o comprimento. Encurtar a antena afeta seu desempenho, como mencionado anteriormente.

Até agora, temos um radiador enrolado acima de um plano no solo. Mas eles têm uma versão de montagem em superfície paralela à placa. Não sei da folha de dados se as duas extremidades estão conectadas, mas tenho que supor que uma extremidade ainda está aberta ... está apenas soldada para mantê-la no lugar. Se você aproximar esse arranjo do plano de terra, ele adicionará capacitância ao circuito e o sintonizará com uma frequência mais baixa. Parte da energia também será acoplada ao solo e será perdida, ou pelo menos perturbará o padrão de radiação pretendido.

"Eu sempre pensei que você deveria ter basicamente o ponto de alimentação da antena diretamente sobre (ou incorporado no orifício de passagem) um plano de terra"

Isso é verdade apenas para algumas antenas.

De maneira geral : tente manter a antena o mais longe possível de qualquer material eletricamente condutor, principalmente de superfícies metálicas.

Exceção: Com cada antena, vem uma configuração de campo específica (campo E e campo H). As superfícies metálicas são finas desde que sejam estritamente perpendiculares ao campo E. O problema com superfícies condutoras é que elas causam um curto-circuito no campo E (força-o a 0). Desde que o campo E atinja a superfície estritamente perpendicular, a superfície é equipotencial em relação ao campo E, e a configuração do campo permanece inalterada.

A exceção é mais comumente encontrada sempre que houver uma propriedade simétrica na sua antena. Por exemplo, um polipolo completo tem dois eixos, ponto de alimentação no meio. No plano perpendicular ao di-pólo, bem no ponto de alimentação, o campo E passa a ser perpendicular ao plano. Assim, você pode substituir um eixo do polipolo por um "plano de terra", ponto de alimentação exatamente onde o agora monopolo atinge o plano de terra. Isso também acontece com algumas outras antenas comumente usadas.

Por outro lado, você pode usar o efeito como parte do design da antena para forçar o campo E a alguma configuração. Isso é feito, por exemplo, em algumas antenas direcionais.

Campo próximo vs. campo distante : o campo de uma antena pode ser categorizado em campo próximo e campo remoto. Os distúrbios de campo no campo próximo geralmente são catastróficos em relação ao desempenho pretendido da antena, os distúrbios de campo no campo distante afetam apenas o desempenho na direção do distúrbio. O local onde o campo próximo termina e o campo distante começa não é óbvio: algumas antenas são mais sensíveis que outras. Como regra geral: tudo que estiver entre 3-5 lambdas de distância é definitivamente um campo distante. Qualquer coisa mais próxima pode ou não interferir nas características da antena, modificando sua frequência central, diretividade, correspondência, ...

A antena de concreto a que você está se referindo tem uma forma helicoidal. Esta tese sobre antenas helicoidais aborda antenas helicoidais usando dois modelos:

1. di-pólo dobrado (circunferência << comprimento de onda): se comporta aproximadamente como um di-pólo
2. antena helicoidal radiante axialmente (circunferência ength comprimento de onda)

A julgar pelo diagrama de radiação, a antena em questão está entre os dois extremos, pelo menos quando montada perpendicularmente ao plano do solo. Nesse caso, o campo E é estritamente perpendicular ao plano do solo. O ponto de alimentação deve estar bem no plano de aterramento e o plano de aterramento deve otimamente estender alguns centímetros em todas as direções ao redor do ponto de alimentação.

Se a antena for montada paralelamente ao plano de terra, ela causará um curto-circuito no E-arquivado. O plano de terra mudará profundamente a configuração de campo próximo e, portanto, você precisará considerá-la como parte da configuração da antena. Com efeito, agora você está olhando para uma antena totalmente diferente, e é por isso que a teoria na tese vinculada não se aplica mais. Aposto que a antena também induzirá um nível razoável de HF no plano terrestre (normalmente considerado problemático). Como você pode ver no diagrama de radiação, a nova antena também é bastante direcional, com radiação praticamente nula na direção do plano de terra.

Não faço ideia por que é vantajoso manter uma distância mínima entre a antena e o plano de terra. Talvez para conter perdas no plano terrestre, mas também poderia ser devido a correspondência ou sintonia ou diretividade ou tudo combinado.

Citando a página 10 do documento "Desempenho aprimorado de uma antena de etiqueta de identificação por radiofrequência em um plano de aterramento metálico" :

Quando a distância de separação entre antena e metal é muito menor que um quarto de comprimento de onda, as propriedades da antena começam a sofrer porque a onda refletida tem uma mudança de fase próxima de 180 graus, e uma mudança de fase de 180 graus causa interferência destrutiva total com o sinal que vem diretamente da antena.

Não é o mesmo formato de antena (certo?), Mas espero que ainda seja útil.

Também potencialmente útil: "Os efeitos de um plano de aterramento de metal nas antenas de etiquetas RFID" .

Também não sou especialista em RF, mas gostaria de postar minha experiência como resposta, porque a caixa de comentários parece muito abarrotada.

E sim, isso é realmente estranho! Com todas as antenas que trabalhei com o ponto de alimentação da antena, sempre estava em um plano terra, o traçado de RF da antena atende a uma certa distância e espessura máximas. Onde ele se conecta (no meu caso) às antenas dobradas / desdobradas impressas em PCB, onde a antena na borda sem plano de terra.

Muitos documentos sugerem como ajustar a impedância para corresponder à frequência, mas, pela minha experiência, mantendo o RF próximo ao PCB impresso, posso usar um balun sem componentes de sintonia adicionais e tudo funciona bem.

Eu notei que você está falando sobre 433mhz. A maior parte da minha experiência está em 2.4ghz.

É possível que em frequências sub-giga, seu ponto de alimentação não precise estar acima de um plano de terra, desde que sua bobina compense a frequência. O que não é exatamente assim nessas frequências.

Este documento da TI , este também e também este pode ajudá-lo a entender melhor como lidar com sua engenharia. Refere-se às frequências comuns usadas e como solucionar problemas de RF.

Não posso oferecer uma resposta definitiva - como o mundo da RF é muito complicado e sensível. Espero que isso possa ajudá-lo a encontrar sua resposta.

Olhando para o diagrama, eles estão mostrando um layout de montagem em superfície - as almofadas estão à mesma distância do comprimento da bobina - e acho que a distância de 0,5 polegadas do plano do solo é espaço suficiente para acomodar as 0,35 polegadas bobina de diâmetro - acho que a idéia é evitar que toda a antena fique plana contra uma camada de cobre à terra a uma fração de mm - eles estão tentando evitar os efeitos capacitivos parasitas que podem causar