Antenas y Planos de Tierra

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 combinación con el circuito que lo impulsa (y casi siempre resonante a la frecuencia operativa), de modo que se pueda poner la mayor potencia posible en la antena, y

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

El punto (2) explica por qué no se puede colocar un circuito de tanque pequeño en un tablero y esperar que irradie de manera eficiente.

El elemento (1) generalmente se incluye en el tema de "sintonización", en el que hace que la antena entre en resonancia o donde sea que esté diseñada para sintonizarse. 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 lo sustituye por el plano de tierra. La inductancia del elemento radiante trabaja con la capacitancia entre él y el plano de tierra para formar el circuito resonante que le da a la antena la sintonía 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 de un plano de tierra. Pero tienen una versión de montaje en superficie que se encuentra paralela a la placa. No puedo decir de la hoja de datos si ambos extremos están conectados, pero debo suponer que un extremo todavía está abierto... solo está soldado para mantenerlo en su lugar. Si acerca demasiado este arreglo al plano de tierra, agregará capacitancia al circuito y lo desafinará a una frecuencia más baja. Parte de la energía también se acoplará al suelo y se perderá, o al menos alterará el patrón de radiación previsto.

"Siempre pensé que, básicamente, el punto de alimentación de la antena debería estar directamente sobre (o incrustado en un orificio pasante) un plano de tierra"

Esto solo es cierto para algunas antenas.

En general : trate de mantener la antena lo más alejada 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 están bien siempre que sean estrictamente perpendiculares al campo eléctrico. El problema con las superficies conductoras es que cortocircuitan el campo E (lo fuerzan a 0). Siempre que el campo E incida en la superficie estrictamente perpendicular, la superficie es equipotencial con respecto al campo E y la configuración del campo permanece inalterada.

La excepción se cumple con mayor frecuencia siempre que haya una propiedad simétrica en su antena. Por ejemplo, un dipolo completo tiene dos ejes, el 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", el punto de alimentación exactamente donde el ahora monopolo 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 frente a 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 previsto de la antena, 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 comienza el campo lejano, no es obvio: algunas antenas son más sensibles que otras. Como regla general: todo lo que esté a 3-5 lambdas de distancia es definitivamente un campo lejano. Cualquier cosa más cercana puede o no interferir en las características de la antena, modificando su frecuencia central, directividad, emparejamiento,...

La antena de hormigón a la que te refieres tiene forma helicoidal. Esta tesis sobre antenas helicoidales aborda las antenas helicoidales utilizando dos modelos:

1. dipolo plegado (circunferencia <<longitud de onda): se comporta aproximadamente como un dipolo
2. antena helicoidal de radiación axial (circunferencia ≈ longitud de onda)

A juzgar por el diagrama de radiación, la antena en cuestión está en algún lugar entre esos dos extremos, al menos cuando se monta perpendicular al plano de tierra. En este caso, el campo E es estrictamente perpendicular al plano de tierra. 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, provocará un cortocircuito en el campo 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 viendo 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 buen nivel 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 dirección al 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 las pérdidas en el plano de tierra, pero también podría deberse a la coincidencia, la sintonización, la directividad o todo combinado.

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

Cuando la distancia de separación de la antena de metal 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 que se aproxima a los 180 grados, y un cambio de fase de 180 grados causa una interferencia destructiva total con la señal que llega. directamente desde la antena.

No es la misma forma de antena (¿verdad?), pero espero que siga siendo información útil.

También potencialmente útil: "Los efectos de un plano de tierra de metal en las antenas de etiquetas 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 rastro de RF a la antena se encuentra con una cierta distancia y grosor máximos... donde se conecta a (en mi caso) antenas plegadas/desplegadas impresas en pcb, donde la antena se encuentra en el borde sin plano de tierra.

Muchos documentos sugieren cómo ajustar la impedancia para que coincida con la frecuencia, pero según 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 433 mhz. La mayor parte de mi experiencia es en 2.4ghz.

Es posible que en frecuencias subgiga, su punto de alimentación no necesite estar sobre un plano de tierra siempre que su bobina compense la frecuencia ... que no es tan exacta de ninguna manera en estas frecuencias.

Este documento de TI , este también y también este pueden ayudarlo a comprender mejor cómo manejar 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 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 a la misma distancia que la longitud de la bobina, y creo que la "distancia desde el plano de tierra" de .5 pulgadas es suficiente espacio para acomodar el .35 pulgadas 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