Перейти к содержанию

Какой длины антенна нужна на 2,4 ГГц?

Обновлено Редакция GAW

На 2,4 ГГц работают Wi-Fi, Bluetooth LE, IEEE 802.15.4 и трансиверы вроде nRF24L01+. Длина волны здесь короткая, поэтому антенна помещается прямо на плату.

Наш расчёт четверти длины волны в середине диапазона:

λ4=c4f=3⋅1084⋅2,44⋅109≈3,1 см\frac{\lambda}{4} = \frac{c}{4f} = \frac{3 \cdot 10^8}{4 \cdot 2{,}44 \cdot 10^9} \approx 3{,}1\ \text{см}

Это длина монополя над плоскостью земли, которая служит второй половиной антенны. Для другой частоты длину посчитает калькулятор частоты и длины волны.

Варианты антенн и их КПД

АнтеннаРазмерКПД по замерам TI (DN031)Наибольшее усиление
Покупной штырь на разъёме (2.4 GHz Whip Antenna)—91,3 % (−0,4 дБ, наш пересчёт)—
IFA (плата 7), 2400 МГцпечатная79,7 % (−1,0 дБ)—
IFA (плата 7), 2440 МГцпечатная65,7 % (−1,8 дБ)—
IFA SWRU12025,7 × 7,5 мм—+3,3 дБи на референсной плате
Меандровая IFA AN04315,2 × 5,7 мм— (КСВ меньше 2 по всему диапазону)—

КПД — измерения TI (DN031) на отладочной плате; та же IFA отдельно от неё на 2440 МГц показала 94,2 %. Наш вывод: окружение антенны меняет результат сильнее, чем выбор между хорошим штырём и хорошей печатной антенной.

Печатная антенна: копировать, а не рисовать

TI советует не проектировать печатную антенну с нуля, а повторить референсный дизайн точно — с тем же контуром, толщиной и материалом платы (AN058, разд. 4.1.1). У IFA из SWRU120 отражение меньше 10 % в полосе больше 300 МГц, поэтому её мало расстраивает корпус. Меандровая IFA из AN043 вдвое меньше и согласована без дополнительных элементов, но в полосе уже: около 250 МГц отдельно и около 100 МГц, когда плату вставили в ноутбук.

Правила разводки — зона без меди, места под согласование, дорожка 50 Ом — собраны в статье «Антенны»; какие радиоинтерфейсы работают на 2,4 ГГц, сравнивает обзор беспроводных интерфейсов.

Похожие вопросы

Можно ли припаять кусок провода 3,1 см вместо печатной антенны модуля?

Если на модуле уже разведена печатная антенна, провод к ней ничего не добавит, а перерезать её дорожку и паять штырь — значит менять согласование, рассчитанное производителем модуля (наш вывод). Штырь λ/4 ставят там, где на плате предусмотрены выход 50 Ом и места под согласующую цепь, — лучше через разъём и готовую антенну.

Почему печатная антенна в корпусе работает хуже, чем на столе?

Пластик сдвигает резонанс печатной антенны вниз по частоте (AN043), а земля, батареи и металл рядом меняют её импеданс. Поэтому у референсных дизайнов TI у точки питания оставлены места под П-цепь согласования, а настройку проверяют уже в корпусе.

Нужна ли земля под печатной антенной?

Нет: под антенной и рядом с её концами на всех слоях меди быть не должно. Земля платы нужна рядом — она работает второй половиной антенны, — но не под излучающей частью. Подробные правила разводки — в статье «Антенны».

Источники

  1. Texas Instruments. AN058 Antenna Selection Guide (SWRA161B, 2010) — табл. 1: λ/4 на 2,4 ГГц — 3,1 см, λ — 12,5 см; разд. 4.1.1: печатную антенну копируют по референсному дизайну точно, с той же толщиной и материалом платы
  2. Texas Instruments. 2.4-GHz Inverted F Antenna (SWRU120D, revised January 2019) — IFA 25,7 × 7,5 мм без учёта земли, наибольшее усиление +3,3 дБи на референсной плате, FR-4 1 мм; отражение меньше 10 % в полосе больше 300 МГц; П-цепь у точки питания
  3. Texas Instruments. AN043 Small Size 2.4 GHz PCB antenna (SWRA117D, 2008) — меандровая IFA 15,2 × 5,7 мм, КСВ меньше 2 во всём диапазоне 2,4 ГГц без согласующих элементов; полоса около 250 МГц отдельно и около 100 МГц при подключении к ноутбуку; пластиковый корпус сдвигает резонанс вниз
  4. Texas Instruments. DN031 CC-Antenna-DK and Antenna Measurements Summary (SWRA328, 2010) — разд. 4.12, табл. 32: КПД на 2,4 ГГц — покупной штырь на разъёме (2.4 GHz Whip Antenna) 91,32 %; IFA (плата 7) 79,68 % на 2400 МГц и 65,74 % на 2440 МГц на отладочной плате, отдельно — 94,17 % на 2440 МГц

Нашли ошибку?

Смотрите также