Antenas y planos de tierra

Estoy mirando esta hoja de datos para la antena ANT-433-HETH . En el cuadro etiquetado "Diseño de tablero sugerido" veo una dimensión etiquetada "Distancia mínima al plano de tierra" de 0.5 pulgadas.

Siempre pensé que básicamente debería tener el punto de alimentación de su antena directamente sobre (o incrustado en un orificio pasante) un plano de tierra ... ¿estoy muy equivocado?

¿Es una práctica común tener su punto de alimentación de antena separado de su plano de tierra por (al menos) alguna cantidad?

La idea de una distancia mínima al plano de tierra también plantea la pregunta de qué es una distancia "apropiada", porque si el plano de tierra está lo suficientemente lejos, ¿cuál es el punto?

Hay muchos, muchos diseños diferentes para antenas, y algunos diseños son bastante inusuales. Las antenas suelen utilizar un plano de tierra, pero este no es un requisito estricto. Una antena de cuadro y un dipolo son dos ejemplos que no requieren un plano de tierra.

Los requisitos básicos para una antena son:

1. una buena coincidencia con el circuito que lo impulsa (y casi siempre resuena a la frecuencia de funcionamiento), de modo que se pueda poner la mayor potencia posible en la antena, y

2. teniendo corriente que fluye a lo largo de su longitud, de modo que los campos resultantes irradian esa energía al espacio. (Las antenas receptoras son solo este proceso a la inversa).

El ítem (2) explica por qué no puede simplemente pegar un pequeño circuito de tanque en una placa y esperar que irradie eficientemente.

El ítem (1) generalmente viene bajo el tema de "sintonización", donde se pone la antena en resonancia o donde se diseñó para ser sintonizada. Una antena dipolo es efectivamente una longitud resonante de cable roto en el medio para permitir que se inserte el punto de alimentación. Una antena de "plano de tierra" elimina la mitad del dipolo y la sustituye por el plano de tierra. La inductancia del elemento radiante funciona con la capacitancia entre este y el plano de tierra para formar el circuito resonante que le da a la antena una sintonización adecuada. Cuando se usa de esta manera, el plano de tierra puede llamarse "contrapeso".

Una antena helicoidal enrolla un poco el radiador, para aumentar la inductancia y acortar la longitud. Acortar la antena afecta su rendimiento, como se mencionó anteriormente.

Hasta ahora, tenemos un radiador en espiral sobresaliendo sobre un plano de tierra. Pero tienen una versión de montaje en superficie que se encuentra paralela al tablero. No puedo decir por la hoja de datos si ambos extremos están conectados, pero tengo que adivinar que uno de los extremos todavía está abierto ... simplemente está soldado para mantenerlo en su lugar. Si lleva esta disposición demasiado cerca del plano de tierra, agregará capacitancia al circuito y lo desintonizará a una frecuencia más baja. Parte de la energía también se unirá al suelo y se perderá, o al menos alterará el patrón de radiación previsto.

"Siempre pensé que básicamente debería hacer que el punto de alimentación de su antena esté directamente sobre (o incrustado en un orificio pasante) un plano de tierra"

Esto solo es cierto para algunas antenas.

Más generalmente : trate de mantener la antena lo más lejos posible de cualquier material conductor de electricidad, especialmente de superficies metálicas.

Excepción: con cada antena viene una configuración de campo específica (campo E y campo H). Las superficies metálicas son finas siempre que sean estrictamente perpendiculares al campo E. El problema con las superficies conductoras es que cortocircuitan el campo E (lo fuerzan a 0). Mientras el campo E toque la superficie estrictamente perpendicular, la superficie es equipotencial con respecto al campo E, y la configuración del campo permanece intacta.

La excepción se cumple con mayor frecuencia cuando hay una propiedad simétrica en su antena. Por ejemplo, un polo completo tiene dos ejes, punto de alimentación en el medio. En el plano perpendicular al dipolo, justo en el punto de alimentación, el campo E resulta ser perpendicular al plano. Por lo tanto, puede reemplazar un eje del dipolo por un "plano de tierra", punto de alimentación exactamente donde el ahora monopolar golpea el plano de tierra. Esto también es cierto para algunas otras antenas de uso común.

Por otro lado, puede usar el efecto como parte del diseño de la antena para forzar el campo E en alguna configuración. Esto se hace, por ejemplo, en algunas antenas direccionales.

Campo cercano versus campo lejano : el campo de una antena se puede clasificar en campo cercano y campo lejano. Las perturbaciones de campo en el campo cercano son generalmente catastróficas con respecto al rendimiento de antena previsto, las perturbaciones de campo en el campo lejano solo afectan el rendimiento en la dirección de la perturbación. En cuanto a dónde termina el campo cercano y dónde comienza el campo lejano, no es obvio: algunas antenas son más sensibles que otras. Como regla general: todo de 3 a 5 lambdas está definitivamente lejos. Cualquier cosa más cercana puede o no interferir con las características de la antena, modificando su frecuencia central, directividad, coincidencia, ...

La antena de concreto a la que te refieres tiene una forma helicoidal. Esta tesis sobre antenas helicoidales aprueba antenas helicoidales utilizando dos modelos:

1. di-polo plegado (circunferencia << longitud de onda): se comporta más o menos como un di-polo
2. antena helicoidal de radiación axial (circunferencia ≈ longitud de onda)

A juzgar por el diagrama de radiación, la antena considerada está en algún lugar entre esos dos extremos, al menos cuando está montada perpendicular al plano de tierra. En este caso, el campo E es estrictamente perpendicular al plano del suelo. El punto de alimentación debe estar justo en el plano de tierra y el plano de tierra debe extenderse de manera óptima algunos centímetros en todas las direcciones alrededor del punto de alimentación.

Si la antena se monta paralela al plano de tierra, hará un cortocircuito en el archivo E. El plano de tierra cambiará profundamente la configuración de campo cercano y, por lo tanto, debe considerarlo como parte de la configuración de la antena. En efecto, ahora está mirando una antena totalmente diferente, por lo que la teoría en la tesis vinculada ya no se aplica. Apuesto a que la antena también inducirá un nivel justo de HF en el plano de tierra (normalmente considerado problemático). Como puede ver en el diagrama de radiación, la nueva antena también es bastante direccional con prácticamente cero radiación en la dirección del plano de tierra.

No tengo idea de por qué es ventajoso mantener una distancia mínima entre la antena y el plano de tierra. Tal vez para contener pérdidas en el plano de tierra, pero bien podría deberse a una coincidencia o ajuste o directividad o todo combinado.

Citando de la página 10 del documento "Rendimiento mejorado de una antena de etiqueta de identificación de radiofrecuencia en un plano de tierra de metal" :

Cuando la distancia de separación metal-antena es mucho menor que un cuarto de longitud de onda, las propiedades de la antena comienzan a sufrir porque la onda reflejada tiene un cambio de fase cercano a 180 grados, y un cambio de fase de 180 grados causa una interferencia destructiva total con la señal que viene directamente desde la antena.

No es la misma forma de antena (¿verdad?) Pero espero que aún sea información útil.

También potencialmente útil: "Los efectos de un plano de tierra de metal en antenas de etiqueta RFID" .

Tampoco soy un experto en RF, pero me gustaría publicar mi experiencia como respuesta porque el cuadro de comentarios parece demasiado abarrotado.

Y sí, ¡eso es realmente extraño! Con todas las antenas con las que trabajé, el punto de alimentación de la antena siempre estaba sobre un plano de tierra, el trazo de RF a la antena se encuentra con una cierta distancia y grosor máximos ... donde se conecta a (en mi caso) antenas impresas / desplegadas impresas en PCB, donde La antena está en el borde sin plano de tierra.

Muchos documentos sugieren cómo ajustar la impedancia para que coincida con la frecuencia, pero desde mi experiencia manteniendo la RF cerca de la PCB impresa, puedo usar un balun sin componentes de ajuste adicionales y todo funciona bien.

Me di cuenta de que estás hablando de 433mhz. La mayor parte de mi experiencia es en 2.4ghz.

Es posible que en frecuencias de sub giga no sea necesario que su punto de alimentación esté sobre un plano de tierra, siempre que su bobina compense la frecuencia ... que no es exactamente así en estas frecuencias.

Este documento de TI , este y también este, podría ayudarlo a comprender mejor cómo lidiar con su ingeniería. Se refiere a las frecuencias comunes utilizadas y cómo solucionar problemas de RF.

No puedo ofrecer una respuesta definitiva, ya que el mundo de la RF es muy complicado y sensible. Sin embargo, espero que esto pueda ayudarte a encontrar tu respuesta.

Mirando el diagrama, le muestran un diseño de montaje en superficie: las almohadillas están separadas a la misma distancia que la longitud de la bobina, y creo que la "distancia del plano de tierra" de 0,5 pulgadas es suficiente espacio para acomodar las pulgadas .35 bobina de diámetro: creo que la idea es evitar que toda la antena quede plana contra una capa de tierra de cobre a una fracción de mm de distancia; están tratando de evitar los efectos capacitivos parásitos que podrían causar