Проектирование антенны для радиочастотных модулей Telecontrolli

Введение

При проектировании систем передачи данных на короткие расстояния разработчик сталкивается с проблемой выбора антенны. Наличие хорошо спроектированной антенны позволяет при одинаковой мощности передатчика передавать данные на более длинные дистанции. Однако не секрет, что из всех элементов системы, антенна является наиболее сложной для проектирования и оптимизации. Вдобавок к этому, работа антенны напрямую зависит от различных переменных, таких как диэлектрическая проницаемость среды, близость других компонентов. И, наконец, измерение параметров антенны требует сложных и дорогостоящих приборов, которые не всегда доступны.

В данном материале рассматриваются наиболее популярные типы антенн, используемых в системах передачи данных на короткие расстояния в диапазоне ОВЧ и УВЧ.

Четвертьволновой излучатель (Whip antenna)

Самый простой тип антенн, которые используются в радиомобильной связи на ОВЧ и УВЧ — четвертьволновой излучатель рис.1.

Рис. 1.

Это отрезок проводника или проводящей дорожки на плате (рис.3) длиной в 1/4 длины волны несущего колебания, соединенный с выводом RX/TX приемника/передатчика. Длина резонансной четвертьволновой антенны может быть рассчитана по следующей формуле:

где f — частота в МГц. Для частоты 433,92 МГц длина антенны получается равной 17 см.

Антенну можно сделать короче, если использовать более толстый или широкий проводник, либо проводник с покрытием.

При удалении антенны от приемника или передатчика необходимо использовать коаксиальный кабель (50 Ом) рис.2.

Рис. 2.

Заземление коаксиального кабеля должно быть припаяно к земле на плате вблизи антенного вывода приемника или передатчика.

Как было сказано выше, антенна может быть выполнена в виде печатного проводника на печатной плате рис.3.

Рис. 3.

Такого рода антенна может быть короче на 10% — 20% по сравнению с расчетной, в зависимости от того, какого рода и какой толщины диэлектрик печатной платы используется. Расстояние от антенны до ближайшего элемента или земли должно быть не меньше 5 мм.

Спиральная антенна (Helical)

Спиральная антенна — это проводник, обычно сталь, медь или латунь, свернутый в спираль рис.4.

Рис. 4.

Диаметр спирали (D) должен быть равен 1/10 длины волны. Однако, изменяя диаметр D, можно менять количество витков антенны. Также настройку можно проводить и путем растягивания или сжатия антенны целиком.

Экспериментальным подбором были установлены следующие параметры спиральной антенны на частоту 433,96 МГц, изготовленной из эмалированного медного проводника толщиной 1 мм:

• количество витков 17,
• диаметр D=5 мм,
• длина L=30 мм.

Существенным недостатком данной антенны является большое влияние на ее работу расположенных рядом предметов, например руки, при наладонном исполнении устройства (handheld). Поэтому ее не рекомендуется использовать в такого рода устройствах.

Петлевая антенна (Loop)

Петлевая антенна — это печатный проводник, один конец которого припаян к «земле», второй, через конденсатор, к выходу передатчика или входу приемника.

Данный тип антенн чаще используется в качестве антенны для передатчиков. Простота конструкции и настройки, небольшие размеры, слабое влияние окружающих предметов позволяют использовать ее в handheld устройствах, таких как автомобильная сигнализация в (брелке), пульты дистанционного управления для дверей гаражей и т.п.

При проектировании антенны необходимо стараться сделать петлю как можно большей (рис.5.), потому, что чем меньше петля, тем уже полоса антенны и меньше коэффициент усиления.

Рис. 5.

Настройка антенны производится с помощью конденсатора.

Сравнение разных типов антенн

Четвертьволновой излучатель имеет большие физические размеры, предназначен для приложений, критических к коэффициенту усиления антенны, хотя очень прост в изготовлении и эксплуатации.

В случае, когда необходимы малые габаритные размеры, лучше использовать спиральную антенну. Но, с другой стороны, спиральная антенна сложнее в настройке и оптимизации, чем четвертьволновая, и более критична к окружающему пространству.

Из всех трех представленных в данном материале антенн, петлевая антенна имеет наихудший коэффициент усиления.

Сравнительная таблица.

Параметры	Lopp	Helical	Whip
Простота изготовления	1	2	3
Частотный диапазон	1	2	3
Размеры	2	3	1
Влияние окружающих предметов	3	1	2
Общая характеристика	1	2	3

1 — худший параметр
3 — лучший параметр.