Перейти к содержанию

Антенны для радиомодулей 433, 868 МГц и 2,4 ГГц

Антенна решает дальность не меньше, чем мощность передатчика: плохо согласованная или зажатая металлом антенна теряет больше децибел, чем различаются чувствительности микросхем. Разбираем по документам Texas Instruments четвертьволновые антенны и роль земли, печатные, чиповые, проволочные и спиральные антенны, согласование по КСВ, разводку платы и измеренные КПД для 433, 868 МГц и 2,4 ГГц.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Антенна превращает ток высокой частоты в электромагнитную волну и обратно (TI AN058, разд. 3). Для радиомодуля важны четыре её свойства: на какой частоте она резонирует, насколько хорошо согласована с 50-омным выходом, какая доля мощности излучается, а не теряется, и куда она излучает. Ниже — как это выглядит для типичных антенн диапазонов 433, 868 МГц и 2,4 ГГц.

Коротко

λ/4
433 МГц — 17,3 см; 868 — 8,6; 2,4 ГГц — 3,1
Земля
вторая половина четвертьволновой антенны
Согласование
КСВ 1,5 — хорошо, больше 2 — переделать
Запас на плате
П-цепь у точки питания
Под антенной
без меди и компонентов
КПД на 433 МГц
компактные — 15–26 %

Четвертьволновая антенна и земля

Самая распространённая антенна в радиомодулях — монополь λ/4: проводник длиной в четверть длины волны над проводящей поверхностью. Вторую четверть волны играет земля — полигон платы или корпус, — и вместе они работают как полуволновый диполь. Поэтому характеристики монополя зависят от размера земли (AN058, разд. 3.2), а все малогабаритные антенны — печатные, чиповые, спиральные — по сути производные диполя, у которого одна половина свёрнута в землю.

Частотаλ/4λ
2,4 ГГц3,1 см12,5 см
915 МГц8,2 см32,8 см
868 МГц8,6 см34,5 см
433 МГц17,3 см69,2 см
169 МГц44,3 см177,4 см

Таблица — из AN058 (табл. 1), длина волны в свободном пространстве λ = c/f. Для другой частоты и с учётом коэффициента укорочения в кабеле длину считает калькулятор частоты и длины волны, подробнее о длине волны — в словарной статье «Длина волны».

Диполь сильнее всего излучает перпендикулярно своей оси, а вдоль оси у него провал, поэтому штыревую антенну ставят вертикально: излучение уходит в горизонтальную плоскость, а провалы смотрят вверх и вниз (AN058, разд. 3.1). Передающая и приёмная антенны должны иметь одинаковую поляризацию; в помещении с множеством отражений это менее критично, чем на открытой трассе в прямой видимости (разд. 5.1.1).

Типы антенн

ТипПлюсыМинусы
Печатная (PCB)почти бесплатна, хороша выше 868 МГц, много готовых дизайновтрудно сделать маленькой и эффективной ниже 433 МГц
Чиповаямаленькая, готовое решениесредние характеристики, нужна подстройка под плату
Штыревая с разъёмомлучшие характеристикидороже, разъём, трудно разместить
Проволочнаясамая дешёваядлину и положение провода нужно повторять в серии

Сводка — по AN058 (табл. 3). У печатной антенны TI советует не проектировать её с нуля, а точно скопировать референсный дизайн — импортировать контур из файла Gerber или DXF и повторить толщину и материал платы: настройка такой антенны без электромагнитного моделирования трудна (разд. 4.1.1). Чиповую антенну производитель обычно согласует на своей тестовой плате, размеры которой приведены в её даташите; на плате с другой землёй согласование и характеристики изменятся (разд. 4.2). Штырь с разъёмом даёт лучший результат, но с разъёмом при сертификации добавляются измерения кондуктивных излучений, а нормы на устройства малого радиуса действия иногда требуют особых разъёмов (разд. 4.3). Проволочную антенну на 315 и 433 МГц можно уложить по периметру корпуса; начало провода у точки питания нужно закрепить, чтобы согласование не уходило, когда провод двигают (разд. 4.4).

Сколько мощности излучается: КПД по измерениям TI

Лучшее мерило антенны в мобильном устройстве — не пиковое усиление, а КПД: доля подведённой мощности, которая излучается во все стороны (AN058, разд. 5.1.2). TI измерил его у антенн отладочного набора CC-Antenna-DK, установленных на плату-модуль и отладочную плату SmartRF04EB (DN031):

ДиапазонАнтеннаКПД
2,4 ГГцштырь91,3 %
2,4 ГГцпечатная IFA (плата 7)79,7 % на 2400 МГц, 65,7 % на 2440 МГц; отдельно от отладочной платы на 2440 МГц — 94,2 %
868 МГцштырь Nearson на разъёме70,5 %
915 МГцштырь Nearson на разъёме89,1 %
915 МГцспиральная проволочная (плата 11)68,5 %
868 МГцчиповая (плата 3)47,3 % (на 915 МГц — 47,8 %)
433 МГцспиральная Antenna Factor25,5 % (−5,9 дБ)
433 МГцспиральная Pulse19,6 % (−7,1 дБ)
433 МГцчиповая Mitsubishi14,7 % (−8,3 дБ)
169 МГцспиральная6,9 %

В этих измерениях КПД — от 94 % на 2,4 ГГц до 7 % на 169 МГц (вывод DN031); по разд. 3 того же документа на частотах ниже 433 МГц для высокой излучаемой мощности нужны большая земля или антенна. Наш вывод: на низких частотах компактной антенне на маленькой плате трудно получить высокий КПД. Печатные антенны на 433 МГц DN031 не рекомендует из-за размера, чиповые «не особенно рекомендует» из-за худших характеристик в компактных конструкциях. Условия важны: числа получены на конкретных платах, на отдельной плате или в корпусе они будут другими.

Печатные антенны: референсные дизайны TI

  • IFA на 2,4 ГГц (SWRU120): «перевёрнутое F» размером 25,7 × 7,5 мм без учёта земли, на референсной плате наибольшее усиление +3,3 дБи, отражение меньше 10 % в полосе больше 300 МГц. Широкая полоса делает антенну менее чувствительной к расстройке корпусом. Измерения — на плате FR-4 толщиной 1 мм.
  • Меандровая IFA на 2,4 ГГц (AN043): всего 15,2 × 5,7 мм, КСВ меньше 2 во всём диапазоне 2,4 ГГц без согласующих элементов. Полоса около 250 МГц у отдельного USB-донгла и около 100 МГц, когда он вставлен в ноутбук, — земля компьютера меняет согласование.
  • IFA на 868/915 МГц (DN023): 43 × 20 мм, наибольшее усиление −0,12 дБ, полоса около 50 МГц. Длину подстраивают отрезком L6: при земле 31 × 45 мм около 9 мм для 868 МГц и около 1 мм для 915 МГц; при большей земле может понадобиться дополнительная подстройка.
Печатная антенна на краю платы: земля, зона без меди и цепь согласованияВид сверху на плату. Большую часть занимает полигон земли с радиочипом. У верхнего края — антенна типа «перевёрнутое F»: её короткий отвод соединён с землёй, рядом — точка питания. Под антенной и вокруг неё на всех слоях нет меди и компонентов. Между выходом радиочипа и точкой питания антенны — П-образная цепь согласования из трёх площадок: два элемента на землю и один последовательный.без меди и компонентов на всех слояхполигон землиизлучатель (длина задаёт частоту)на землюна землюна землюП-цепь согласованияРадиочипвыход 50 Омточка питания
Печатная антенна на краю платы: под ней и рядом нет меди, у точки питания — места под П-цепь согласования

Правила разводки из этих документов:

  • Антенна — на краю платы, под ней на всех слоях нет земли и дорожек: у DN023 земли под антенной нет, поэтому толщина платы не критична.
  • Отступ от меди и компонентов. TI для 2,4 ГГц просит не ставить компоненты и землю у концов антенны (SWRU120), для 868/915 МГц — держать их не ближе 5 мм к сторонам антенны, если плата шире антенны; землю сбоку от антенны DN023 допускает не ближе 15 мм — на импеданс она почти не влияет, но меняет распределение излучения.
  • Места под согласование. Площадки под П-цепь у точки питания — один последовательный и два параллельных элемента. Если антенна согласована, в последовательное место ставят перемычку 0 Ом или разделительный конденсатор, а параллельные не устанавливают (AN058, разд. 3.4).
  • Дорожка от чипа до антенны — 50 Ом. Её ширину над землёй рассчитывает калькулятор микрополосковой линии.

Согласование: Γ, КСВ и обратные потери

Максимум мощности уходит в антенну, когда её импеданс Za комплексно сопряжён с импедансом линии Z0; иначе часть волны отражается обратно. Отношение амплитуд отражённой и падающей волн — коэффициент отражения (AN058, разд. 3.4):

Γ=Za−Z0Za+Z0,КСВ=1+∣Γ∣1−∣Γ∣,RL=−20lg⁡∣Γ∣\Gamma = \frac{Z_a - Z_0}{Z_a + Z_0}, \qquad \text{КСВ} = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|}, \qquad RL = -20 \lg |\Gamma|

Обратные потери RL показывают, на сколько децибел отражённая волна слабее падающей. TI оценивает согласование так: КСВ 1,5 (обратные потери 14 дБ) — хорошее, при КСВ больше 2 (9,5 дБ) согласующую цепь нужно пересмотреть, а по уровню КСВ 2 обычно определяют рабочую полосу антенны. Отражение −10 дБ, или КСВ меньше 2, означает, что в антенну уходит больше 90 % мощности (AN043, разд. 4.1).

Как настраивать (AN058, разд. 6.2.5):

  1. Длиной. Если резонанс ниже нужной частоты — антенну укорачивают, если выше — удлиняют.
  2. Элементами П-цепи. Если резонанс на месте, но импеданс не 50 Ом, ставят конденсаторы и катушки последовательно или параллельно; их подбирают по круговой диаграмме Вольперта — Смита.
  3. В конечном окружении. Настраивают антенну в корпусе, с батареями и креплением: настройка «на столе» может ухудшить работу в изделии. Пластиковый корпус сдвигает резонанс вниз — антенну делают чуть короче (AN043, разд. 5.1).

Пересчитать КСВ в обратные потери и потери рассогласования помогает калькулятор КСВ, подобрать L и C на нужную частоту — калькулятор LC-контура.

Пример: что стоят децибелы антенны

Рассогласование. По формулам выше (наш расчёт): при КСВ 1,5 |Γ| = 0,2, отражается 4 % мощности — потери 0,18 дБ; при КСВ 2 |Γ| = 1/3, отражается 11 % — потери 0,51 дБ; при КСВ 3 |Γ| = 0,5, отражается 25 % — потери 1,25 дБ. Пока КСВ меньше 2, рассогласование стоит меньше децибела.

КПД. На 433 МГц спиральная антенна Antenna Factor (−5,9 дБ) выигрывает у чиповой Mitsubishi (−8,3 дБ) 2,4 дБ на каждой стороне линии (DN031). Если обе стороны линии получат лучшую антенну, выигрыш — 4,8 дБ, а это в 104,8/20 ≈ 1,7 раза большая дальность в свободном пространстве (наш расчёт по формуле потерь из статьи «Бюджет радиолинии»). Наш вывод: на 433 МГц выбор компактной антенны меняет дальность сильнее, чем выбор между приёмниками с разницей чувствительности в 2–3 дБ.

Частые ошибки

  • Медь под печатной антенной. Полигон земли, дорожка или компонент под антенной расстраивают её и забирают излучение.
  • Своя антенна «на глаз». Длина и форма печатной антенны рассчитаны для конкретной толщины и материала платы; изменение земли или толщины требует подстройки.
  • Нет мест под согласование. Без площадок П-цепи исправить расстройку корпусом можно только переделкой платы.
  • Антенна внутри металла. Металлический корпус экранирует антенну; выводите антенну наружу через разъём.
  • Антенна не на тот диапазон. Антенна на 2,4 ГГц не работает на 433 МГц и наоборот; проверяйте рабочую полосу по КСВ.
  • Горизонтальный штырь у вертикального. При разной поляризации на открытой трассе теряются децибелы; ставьте антенны одинаково.

Частые вопросы

Какой длины сделать антенну на 433 МГц?

Четвертьволновый штырь — около 17,3 см (TI AN058, табл. 1; наш расчёт c / 4f на 433,92 МГц — 17,27 см). Это длина над землёй: монополь работает вместе с проводником земли, который служит второй половиной антенны, и чем меньше земля, тем сильнее отличается нужная длина. Точную длину подбирают по КСВ или по уровню на приёмнике уже в корпусе: если резонанс ниже нужной частоты, антенну укорачивают.

Можно ли использовать антенну от Wi-Fi роутера на 433 МГц?

Нет. Антенна резонансная: она работает в полосе вокруг частоты, на которую рассчитана. Антенна на 2,4 ГГц на 433 МГц окажется далеко за пределами своей полосы и будет рассогласована: значительная часть мощности отразится обратно в передатчик. Для каждого диапазона нужна своя антенна или антенна, явно рассчитанная на несколько диапазонов.

Почему модуль с печатной антенной плохо работает в корпусе?

Пластик, батареи, металл и рука рядом с антенной меняют её импеданс и сдвигают резонанс. TI показывает, что пластиковый корпус сдвигает резонанс печатной антенны вниз по частоте, а земля большего размера меняет полосу и диаграмму. Под антенной и рядом с ней не должно быть меди и компонентов. Из металлического корпуса антенну выводят наружу через разъём.

Что лучше: чиповая антенна или печатная?

Печатная почти бесплатна и при хорошем дизайне эффективна выше 868 МГц, но на 433 МГц слишком велика. Чиповая компактна, но в измерениях TI на 433 МГц её КПД был 14,7 % против 25,5 % у спиральной проволочной, а согласование чиповой антенны зависит от размера и формы земли на вашей плате, поэтому без согласующих элементов не обойтись.

Источники

  1. Texas Instruments. AN058 Antenna Selection Guide (SWRA161B, 2010) — разд. 3.1–3.3 и табл. 1: диполь λ/2 и монополь λ/4 с землёй как второй половиной, λ/4 для 2,4 ГГц — 3,1 см, 868 МГц — 8,6 см, 433 МГц — 17,3 см, 169 МГц — 44,3 см; разд. 3.4: Γ, КСВ, обратные потери, КСВ 1,5 (14 дБ) — хорошо, выше 2 (9,5 дБ) — пересмотреть согласование, П-цепь с перемычкой 0 Ом; табл. 3: плюсы и минусы печатных, чиповых, штыревых и проволочных антенн; разд. 4.1.1: копировать референсный дизайн точно; разд. 4.2: согласование чиповой антенны зависит от платы; разд. 4.3: штырь с разъёмом требует испытаний на кондуктивные излучения; разд. 4.4: проволочная антенна для 315 и 433 МГц; разд. 5.1: 0 дБд = 2,14 дБи, поляризация, влияние земли; разд. 6.2.5: настройка длиной и элементами согласования в конечном окружении
  2. Texas Instruments. DN031 CC-Antenna-DK and Antenna Measurements Summary (SWRA328, 2010) — КПД по полной излучённой мощности (TRP) на платформе EM + SmartRF04EB: 2,4 ГГц — штырь 91,32 %, IFA (плата 7) 79,68 % на 2400 МГц и 65,74 % на 2440 МГц (табл. 29), отдельно 94,17 % на 2440 МГц; разд. 4.8: штырь Nearson (диполь на разъёме) 70,49 % на 868 МГц и 89,09 % на 915 МГц, спираль (плата 11) 68,52 % на 915 МГц, чип (плата 3) 47,34 % на 868 МГц и 47,81 % на 915 МГц, плата 6 отдельно 90,51 %; 433 МГц — спираль Antenna Factor 25,53 % (−5,93 дБ), спираль Pulse 19,62 % (−7,07 дБ), чип Mitsubishi 14,67 % (−8,34 дБ); 169 МГц — 6,89 %; печатные антенны на 433 МГц не рекомендуются из-за размера, чиповые — «not strongly recommended» из-за худших характеристик; разд. 3: ниже 433 МГц нужна большая земля или антенна
  3. 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, настроена на 50 Ом, импеданс зависит от земли, корпуса, батарей и материала платы — рекомендуется П-цепь у точки питания; FR-4 1 мм; отражение меньше 10 % в полосе больше 300 МГц; не размещать компоненты и землю у концов антенны
  4. 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; отражение −10 дБ — больше 90 % мощности уходит в антенну; пластиковый корпус сдвигает резонанс вниз — антенну укорачивают; полоса около 250 МГц отдельно и около 100 МГц при подключении к ноутбуку; толщина платы влияет на длину
  5. Texas Instruments. DN023 868 MHz, 915 MHz and 955 MHz Inverted F Antenna (SWRA228C, 2011) — IFA 43 × 20 мм, наибольшее усиление −0,12 дБ, FR-4 0,8 мм, под антенной нет земли; компоненты и земля не ближе 5 мм к сторонам антенны; места под один последовательный и два параллельных элемента; длина L6 ≈ 9 мм для 868 МГц и 1 мм для 915 МГц при земле 31 × 45 мм; полоса около 50 МГц при отражении меньше 10 %; земля сбоку от антенны — не ближе 15 мм

Нашли ошибку?

Смотрите также