Planar inverted F-antenna (PIFA)

[Thom PA9T]

In bijna alle embedded electronica wordt gebruik gemaakt van planar inverter F-antennas (kortweg PIFA), in diverse vormen. Al dan niet uitgevoerd als koperspoor, en soms verwerkt in een component dat kan worden meegesoldeerd in een SMD-proces.

Een voorbeeld van een PIFA:

Er zijn in datasheets van PIFA's allerlei plots te vinden, zie hieronder een voorbeeld uit de datasheet van de Antenova SR4L034 voor 3G en 4G toepassingen. Het grote witte vlak is een doorlopend groundplane, de PIFA wordt van onder gevoed via een SMA-connector.

En hier nog een willekeurige afbeelding van een simulatie uit CST:

Als ik naar deze stralingsdiagrammen kijk, dan is het veld dat haaks op de PIFA staat, het sterkst. Maar de PIFA is een platgedrukte monopole, die evenwijdig loopt aan zijn groundplane. Waarom is het geplotte elektromagnetische veld dan niet 90 graden gedraait, zodat het lijkt op het stralingsdiagram van een monopole? (in de afbeelding van Antenova zou het veld dan 90 graden gedraaid zijn om de Z-as in mijn gedachten. Maar dit klopt dus niet met de praktijk).

Of kijk ik voornamelijk naar het elektromagnetische veld dat ontstaat door de stroom in het groundplane, omdat de PIFA zelf erg klein is ten opzichte van het groundplane en dus weinig bijdraagt? Of is er iets anders aan de hand? En kijk ik nu voornamelijk naar de magnetische component, of de elektrische?

[PA3DJS]

Kijkende naar jouw eerste plaatje (2.4GHz_PIFA-1024x643.png):

De gehele antenne (het zigzag stuk en dikke verticale stuk) resoneert in kwartgolf mode. De stroom in het deel haaks op de rand van het grondvlak is het grootst en neemt af tot nul als je aan het eind van het zigzagstuk bent.

De stroom in het stukje voeding is aanzienlijk kleiner dan de stroom in het dikke stukje haaks op de rand. Even tussendoor, de voeding kun je vergelijken met een gamma match. Je zoekt gewoon het 50 Ohm punt op.

De stroom in het stukje haaks op de rand wordt niet opgeheven door een andere stroom en straalt daardoor als een monopool. De stroom in het zigzag stuk heeft een nagenoeg tegengestelde stroom in de rand van het grondvlak, en de afstand tussen zigzagstuk en rand grondvlak is << lambda. Door beide effecten (tegengestelde stroom en afstand) is debijdrage aan het stralingsdiagram beperkt.

Simuleer voor jezelf eens de stroomddichtheid (zorg wel dat je voldoende fijn mesh op de rand van de groundplane hebt. Je zult dan zien dat de stroomdichtheid bij de rand die het zigzagstuk ziet het hoogst is.

Het ding is te vergelijken met een kwartgolf L antenne (voor HF) die je voedt ten opzchte van een grond vlak. Je kunt het ook zien als een verticale straler met een niet mooi symmetrische top load. De meeste straling komt van het verticale deel waardoor de constructie behoorlijk rondom straalt ondanks dat de constructie niet rotatiesymmetrisch is.

omdat je hier niet een echt ground plane hebt (maar een rand van een klein stukje PCB), straalt een deel van de stroom in het PCB vlak ook. De stroom die het dikke stukje haaks op de PCB in gaat, komt voor een deel ook uit het grondvlak dat meer naar de connector zit, en dan heb je een stroomcomponent die in dezelfde richting loopt als de stroom in het dikke stukje. Die component draagt dus ook bij aan het appelvormige stralingsdiagram.

Jouw plaatje toont total gain (dBi), dus je kijkt naar het verre veld stralngsdiagram (waarbij E/H =377 Ohm).

[Thom PA9T]

Helaas heb ik geen tool om de stroomdichtheid te simuleren. Weet jij een (gratis) tool?

Maar je bevestigt wel deels mijn vemoedens, thanks.

Je schrijft: "omdat je hier niet een echt ground plane hebt (maar een rand van een klein stukje PCB), straalt een deel van de stroom in het PCB vlak ook. De stroom die het dikke stukje haaks op de PCB in gaat, komt voor een deel ook uit het grondvlak dat meer naar de connector zit, en dan heb je een stroomcomponent die in dezelfde richting loopt als de stroom in het dikke stukje. Die component draagt dus ook bij aan het appelvormige stralingsdiagram"

Als je kijkt naar Capture.PNG, straalt het witte gedeelte achter de SMA connector (het "lange deel") dan ook? In ieder geval geldt voor dat deel: hoe langer, hoe efficienter de antenne.

En als dat witte gedeelte ook in zijn geheel straalt, zou het dan invloed kunnen hebben op elektronica die bijvoorbeeld op de bovenkant van dat witte deel gemonteerd zit? Of is de koppeling tussen het witte deel en een eventuele koperlaag die daarop ligt zó hoog, dat ze elektrisch gezien op hetzelfde potentiaal zitten?

[PA3DJS]

Het meestralen van het grondvlak heb je het meeste bij antennes die gevoed worden vanaf de korte rand (zoals bij "2.4GHz_PIFA-1024x643.png" en "Planar_Printed_inverted_F_Compact_3D_large.png").

In geval van "Capture.png" is de straling van het grondvlak al weer wat minder, maar zo aan het stralingsdiagram te zien is de straling van het grondvlak wel dominant. Er is namelijk veel straling haaks op de Y-as, en dat kan alleen komen door een stroom evenwijdig aan de Y-as. Zit de antene in het midden van het grondvlak, dan ga je iets anders zien.

Door de antenne op de rand te zetten, krijg je een beter antennerendement, en het vergt geen losse antenne / extra productieslag). Het nadeel van alle antennes die worden "geholpen" door het grondvlak is dat je weleens een EMC probleempje kan krijgen. Storing van eigen elektronica (bijv zo'n suppperkleine schakelende converter) op de ontvangst van de module, of dat het TX signaal stoort op analoge delen kan gebeuren. Dat kan dus ook in geval van "Capture.png".

Hoe kleiner het grondvlak, hoe hoger het E-veld loodrecht op het grondvlak t.g.v. de stralende antenne. Ik heb wel diverse keren meegemaakt dat de eigen elektronica de RX negatief beinvloedt, maar zelden dat het TX signaal de boel in de war stuurt. Meestal lost men dat in SW op door een analoge sensor alleen uit te lezen als er geen TX signaal is. Wat in ieder geval helpt is een ononderbroken grondvlak dat als ground voor de antenne gebruikt wordt.

Moet je toch onderbreken t.b.v. verschillende power supplies, dan is het handig om de grounds te koppelen via diverse C's, dan is het voor het RF signaal toch één grondvlak.

Beetje OT: ga voor een zelfbouwantenne, je hebt de spullen om te meten. Te vaak commerciele producten tegengekomen die net iets anders gebruikt worden dan volgens de datasheet, en dan zijn er weer extra componenten nodig t.b.v. aanpassing. Als het ontwerp erg compact moet zijn (geeft kleine bandbreedte), dan kun je weleens problemen krijgen door een iets andere relatieve epsilon van een volgende productierun, en dan staan al je antennes ernaast. Ik ontwerp ze meest bewust op het gebruik van één extra component waarmee ik de centerfrequentie kan veranderen. Dit jaar nog twee keer gehad dat tijdens productie het tuning componentje een iets andere waare moest krijgen.

Zorg er ook voor dat je een testtoegang tot je antenne hebt t.b.v. het aansluiten van zo'n pigtail stukje superdunne coax. Het is heel lullig als je bijvoorbeeld geen toegang tot ground hebt direct naast de voedingslijn.

Ik ken geen gratis tool voor planar antennas, wellicht een studentenversie van HFSS (Ansys)? Als je het nooit hebt gebruikt, duurt het wel even voordat je er wat mee kunt (en dat is met de meeste antennesimulatoren het geval). Je hebt alleen ee module nodig die op basis van MoM werkt. Ik was even in de veronderstelling dat je die plaatjes zelf had gegenereerd.

[Thom PA9T]

Denk je dat ik NEC kan gebruiken? NEC maakt ook gebruik van Method of Moments. Ik heb thuis MMANA-GAL Basic, een gratis programma. Ik heb daar nog nooit een vlak in gesimuleerd. Denk je dat dat kan werken?

Makkelijkste antwoord is natuurlijk "probeer het"

OT: ik hoor je weinig op PI3UTR of PI2HVS tegenwoordig, zit je er nog wel eens? Ik luister zelf erg onregelmatig, kan zijn dat we elkaar mislopen. Heb nog wat leuke JOTA annekdotes. Over mijn FD4 en spetterende eindtrappen

[PA3DJS]

Met de nodige beperkingen kan het wel leerzaam zijn, omdat je wel een indruk krijgt van stroomdichtheden.

Voor vlakken gebruikt men de "equal area rule". Zie bijvoorbeeld:
http://lso.fe.uni-lj.si/literatura/Razn ... eaRule.pdf
Daar staan ook wat beperkingen in van de EAR.

Als vlakken elkaar zien (zoals bij een patch antenne met een patch boven een grondvlak), dient de maasgrootte gelijk of kleiner te zijn dan de afstand tussen de patch en de ground. Je hebt dan wel lucht tussen de twee vlakken waar dat in werkelijkheid bijvoorbeeld onbekend merk FR4 of een ISOLA RF laminate is.

Bij NEC is de geometrie best kritisch als geleiders dicht bij elkaar zitten. Als ik NEC gebruik, gebruik ik 4NEC2 voor modellering en weergave (gratis). Je kunt met variabelen werken zodat je door een variabele te veranderen bijvoorbeeld de afmeting van een vlak kunt veranderen.

Als het een beetje serieus is, zou ik toch voor een simulator gaan die standaard overweg kan met vlakke structuren. je komt dan terecht bij evaluatie/student/lite versies van CST, FEKO, HFSS, Momentum, etc. Dit heeft de nodige nadelen (beperkte tijdsduur, bepaalde zaken niet aanwezig in de lite versie, etc).

[PE1RIK]

Leuk om hier ook te lezen over dit type antenne.
Ik heb er eens eentje gemaakt voor 70cm, uit kopertape op karton. De return-loss was aardig meen ik me te herinneren. Een goede VNA voor die frequentie heb ik nog niet, mijn miniVNA gaat niet verder dan 200MHz.

Maar is het eerste plaatje niet een Meandered Inverted F Antenna? Dus een MIFA? Het concept blijft natuurlijk grotendeels gelijk.

Dit zijn mijn bronnen, ik weet niet of je er wat aan hebt:

http://www.antenna-theory.com/antennas/patches/pifa.php
http://www.antenna-theory.com/antennas/aperture/ifa.php

[Thom PA9T]

Dank voor de antwoorden. Ik heb in de eerste instantie MMANA-GAL gebruikt, maar hierin vond ik geen voorbeelden van het werken met een mesh. Daarna 4NEC2 gedownload, en hierin vond ik wel een voorbeeld van een object met een mesh (Boeing747), dus nu start een leercurve met die tool.

Wim, wat jij schrijft over de meshgrootte versus de afstand tussen de patch en de ground is inderdaad logisch. Wel een instinker, dus fijn dat je het meldt. Het is vervelender dat de relatieve permitiviteit van het isolatiemateriaal niet goed kan worden gesimuleerd. Ik ken 4NEC2 niet, is er geen variable waarin je de Er kan veranderen?