Одна на всех
Как-то так получилось, что в нескольких последних проектах я использовал в качестве излучающего элемента различные модификации IFA (Inverted А Antenna). Эта рабочая лошадка активно эксплуатируется в огромном количестве современных беспроводных устройств. Видовому разнообразию IFA мне и хотелось бы посвятить этот пост.
Попробуйте в поисковике ввести волшебное словосочетание Inverted F Antenna (IFA) и вы увидите невероятное разнообразие вариантов исполнения этой антенны – от проводных гигантов до планарно-керамических лилипутов. С чем связана такая популярность?
С развитием мобильных средств связи, портативных компьютеров, навигационных терминалов, носимой электроники и т.д. появилась необходимость в компактной и функциональной антенне, которая могла бы располагаться на печатной плате, занимая (лишь один слой)/(минимум места), а так же быть малочувствительной к тому, что расположено в других слоях и на обратной стороне платы. Одним из таких решений и стала IFA. Популярность такого решения объясняется тем, что IFA обладает относительно широкой полосой рабочих частот (до 10% от центральной частоты), относительно высокой эффективностью (отношением излучаемой мощности к подводимой), достигающей 65%, поддержкой многодиапазонности, малыми габаритами, способностью работать с вертикальной и горизонтальной поляризацией… Перечень достоинств достаточно внушительный. Так же нужно добавить, что популярность IFA связана еще и с тем, что она была достаточно подробно изучена и описана (в плане зависимости ее характеристик от геометрии). Если вам интересны технические подробности, отправляю к статье В.И. Слюсара «Антенны PIFA для мобильных средств связи: многообразие конструкций»
Однако для многих разработчиков интерес представляет именно антенна, выполненная на печатной плате в едином технологическом цикле с топологией разработанного устройства. И вот тут хотелось бы привести несколько примеров.
Когда на печатной плате (ПП) много места, можно сделать “классическую” PIFA (Printed IFA). Как, например, на изображениях ниже
Внешний вид печатной платы с антенной
Диаграмма направленности
Правда, чаще всего приходится изыскивать пути по уменьшению места, занимаемого антенной. Один из таких способов – “ZigZag” PIFA – изложен в известном для многих (я так думаю) документе. Проиллюстрирую…
Топология платы с ZigZag” PIFA
Диаграмма направленности для такой структуры
И на последок хотелось бы показать вариант двухдиапазонной PIFA (например, для сетей Wi-Fi), немного “свернутой” для уменьшения занимаемого места.
Расчетная топология и макетная плата PIFA для диапазонов 2,4 ГГц и 5,2 ГГц
Диаграмма направленности для частоты 2,45 ГГц
Диаграмма направленности для частоты 5,25 ГГц
И это только малая часть из всего видового разнообразия IFA…
P.S. Был приятно удивлен, когда удалось найти несколько интересных статей на русском языке по заявленной мной тематике на сайте В.И. Слюсара, а так же смог кое-что почерпнуть из книги И.В. Гончаренко «Антенны КВ и УКВ часть 6: антенны УКВ».
Изготовление Wi-Fi антенны
Несколько месяцев назад передо мной и моими коллегами по работе встала задача, связать точку доступа из отдалённого дома и тачку на работе сеткой, да чтобы хорошо работало и пакеты не терялись. Последовав старой поговорке «На фиг медь!», было решено соединяться воздухом. Для чего была в складчину приобретена довольна дешёвая WiFi карточка. Но вот незадача, дом стоит не впритык, хоть и не километр, но всё равно не рядом, но в прямой видимости, где-то метров 150. Связь конечно была, но всё равно процент был маленький. Полезли в инет на сайт местного магазина, посмотрели цены на антенны… тут пришла жаба 🙂 Со словами, «Да ну на фиг, я и сам так могу» я положил начало доооолгой, но занимательной и увлекательной работе 🙂
Был прошустрён инет на предмет схем антенн, на ходу изучались и вспоминались основы физики, длина волны, поляризация и т.д. Было изготовлено пара антенн, из подручных материалов, которыми оказались бабины из под болванок. Но по прошествии времени они нас перестали удовлетворять, поэтому углубляться в изготовление этих антенн не буду.
Решено было заняться по-взрослому и изготовить волновой канал, вернее сразу два, чтобы с обеих сторон било.
Нашли схему, думали над материалом, и не нашли ни чего лучшего, как использовать полимерные трубы 🙂 Вот краткий фото отчёт с комментариями.
1) Была найдена схема 16-ть элементного волнового канала.
3) Нарезал элементы. Важно было сделать точь-в-точь со схемой, ибо своими силами длину волны мы бы не измерили.
Притащил из дома штангель, нарезал элементы, потом упорно стачивал лишние миллиметры и десятые их части
4)Размерили, и наделали дырок в трубках
Дальше кропотливо и не без усилия всовывал каждый элемент в дырки, выравнивал
Далее был куплен кабель коаксиальный на 50 Ом и коннекторы (самое затратное из всей поделки). Потом всё было обжато и антенна готова 🙂
(после того как фото была сделана, кабель был укорочен вдвое, дабы избежать потерь)
Кстати, да! Два волновых канала были сделаны за один рабочий день, и был это День Радио!
з.ы. проценты увеличились в два раза, пакеты не теряем, имеем стабильную связь…
до того как антенна была готова скорость была 24 мбита, после 48 мбита
UPD: схема волнового канала с размерами
UPD2:
материалы которые были задействованы:
— полипропиленовая труба
— медный провод
— коаксиальный кабель на 50 Ом
— коннекторы SMA
Внутренние антенны носимых устройств (IFA антенна)
Огромное количество современных цифровых девайсов, использующих беспроводные технологии, такие как смартфоны, планшеты, ноутбуки, всевозможные устройства «умного дома» и т.д., имеют в своем составе хотя бы одну встроенную внутреннюю антенну. У некоторых радиолюбителей иногда возникает потребность в ремонте и восстановлении подобной антенны. А у слабо разбирающихся в радиотехнике анонимов ходят легенды о супер эффективности и секретности подобных «цифровых» антенн. Ведь по ним довольно мало информации в этих ваших интернетах. Давайте устраним этот пробел…
Первые мобильники были оснащены внешними выдвижными телескопическими антеннами, затем их укоротили, сделали более компактными, а потом и вовсе убрали внутрь корпуса. Сделать это позволил отказ от штыревых антенн и применение конструкции носящей название «Inverted F-antenna» (IFA), которая и по сей день является основой большинства внутренних антенн. Проволочный вариант конструкции был изобретен еще в 40-х 50-х годах прошлого столетия, но широко использоваться IFA стала с появлением носимых устройств как антенна на печатной плате благодаря следующим своим достоинствам, — при своей компактности IFA достаточно широкополосна и имеет КПД до 65%, а это очень высокая цифра для малогабаритных антенн. Антенна представляет из себя печатный проводник длиной λ/4, расположенный над большой земляной шиной. Несмотря на то, что на первый взгляд она выглядит просто как свернутый четверть-волновой монополь, на самом деле более правильно ее рассматривать как щелевую антенну. Из теории известно, что узкая щель длиною λ/2 в бесконечном экране эквивалентна полуволновому диполю. Для полного соответствия с электрическим диполем такую излучающую щель в теории называют магнитным диполем и вводят абстрактное понятие «магнитного тока». 
Магнитный диполь — это своего рода зеркальное отражение электрического диполя, электрическое и магнитное поля как бы меняются местами. Отметим только, что распределение тока и напряжения в таком «магнитном диполе» тоже меняются местами. Максимум тока находится на концах щели, а максимум напряжения — в центре. На центр также приходится и максимум входного импеданса антенны. Кроме того, такая горизонтальная щель излучает волну вертикальной поляризации. Поскольку ток в центре щели равен нулю, ее можно смело раполовинить и половинка превратится в нашу IFA. Другими словами IFA — это своего рода щелевой монополь. 
На некотором расстоянии от короткозамкнутого конца IFA находится точка в которой реактивная часть входного импеданса равна нулю, а активную часть, путем подбора ширины щели, можно сделать близкой к 50 Ом. Здесь и подключается фидерная микрополосковая линия. Первые «кнопкофоны» обходились одной такой антенной на GSM диапазон. Для еще большей компактности горизонтальную полоску просто сворачивали в форме меандра.
Чтобы не запутаться в абстракциях такую щель можно описать в привычных понятиях токов и напряжений, подробнее у И.Гончаренко. Поскольку «бесконечный экран», как вам скажет любой практик, присутствует только в воспаленном мозгу красноглазого книжника-теоретика, правильная модель должна учитывать реальные размеры земляного полигона. Поэтому каждая такая внутренняя антенна уникальна для каждого устройства и универсальной конструкции просто нет в природ е. Кроме того, поляризация излучения, ввиду конечных размеров мобильного устройства, не однозначна, а имеет как вертикальную, так и горизонтальную составляющую
Продвинутый вариант IFA, под названием PIFA, представляет из себя симбиоз IFA и планарной патч-антенны или, другими словами, четвертьволновый патч. Этот вариант дает конструкторам большую свободу действий для разработки более сложных антенн, необходимость в которых появилась с появлением смартфонов. Современные смартфоны имеют в своем составе несколько антенн. Кроме того, что появилась необходимость в дополнительных антеннах для 3G, LTE, Wi-Fi, Bluetooth, GPS, с появлением технологии MIMO таких антенн нужно уже по паре. В последнее время добавился еще NFC. Для всего этого зоопарка антенн просто не хватит места в корпусе смартфона, поэтому большинство из них сделаны многодиапазонными. Подробнее о том как и где размещены антенны внутри современных смартфонов можно прочитать здесь. Топология антенн значительно усложнилась, однако в основе большинства из них лежит все та же конструкция IFA/PIFA. Усложнение топологии связано с проблемами создания компактных многодиапазонных конструкций. Это вовсе никакие не «цифровые» высокоэффективные секретные антенны, как полагают некоторые анонимы. «Секретность» связана с уникальностью такой антенны для каждого конкретного устройства, а эффективность на отдельном диапазоне у них может быть даже ниже, чем у простой штыревой антенны. Об этом свидетельствует тот факт, что местами старые кнопкофоны «ловят» даже лучше современных смартфонов.
Вероятность необходимости ремонта или замены антенны у смартфона крайне низка. Более того, повторить ее в любительских условиях практически невозможно. А вот в ноутбуках (или планшетах) часто присутствует всего одна антенна WiFi/Bluetooth. Некоторые мастера при разборке аппарата могут просто порвать шлейфы и сломать такую антенну. Для таких случаев, по просьбам трудящихся, мы предлагаем простую внутреннюю малогабаритную антенну WiFi/Bluetooth. 
Антенна рассчитана с учетом влияния диэлектрика корпуса, но не учитывает влияние остальных частей конструкции аппарата. При наличии свободного пространства ее можно разместить в любом свободном месте корпуса, соединив с соответствующим модулем отрезком тонкого коаксиала. Антенна вырезается из тонкой металлической фольги и крепится к пластмассовому корпусу посредством синей изоленты клейкой ленты. Располагать ее надо по возможности вертикально на свободных участках корпуса, подальше от электроники. Антенна представляет из себя суррогат из обычного диполя и J-антенны. Ну а что делать? На безрыбье и рак — рыба. Поскольку необходимость в частом ремонте такой антенны крайне низка, то проще купить готовую или, если вас не смущает нарушение внешнего вида аппарата, пристроить к нему наружную антенну.
- Inverted-F Antenna (IFA) — antenna-theory.com;
- Что вы знаете про антенны в вашем смартфоне? — какие в ваших смартфонах установлены антенны, какую конструкцию они имеют и как работают;
- «60 лет теории электрически малых антенн. Некоторые итоги» — В.Слюсар. 2006 г.;
- Моделирование меандровой инвертированной F-антенны – это просто — Habr;
- «Одна на всех» — (об IFA антенне) Habr;