¿Cómo puede una antena cuadrada de 9 mm captar GPS?

Estoy confundido de nuevo. Según varias calculadoras de dipolo de antena en línea, y si el GPS usa señales de 1,575 y 1,228 GHz, la antena dipolo debe ser del orden de 10 cm. Sin embargo, Adafruit tiene (o tenía) diminutas antenas GPS de unos 9 mm cuadrados. Y está el reloj de Apple que tiene GPS.

¿Cómo funciona? La señal no puede estar en condiciones de campo cercano, no con los satélites viviendo en órbita. Considere 100 MHz. Las calculadoras darán una longitud de antena dipolo de alrededor de 1,5 m. Cada estéreo que he comprado viene con una antena dipolo de la misma longitud que las calculadoras predicen ahora. ¿Cómo pueden funcionar el Apple Watch y la antena Adafruit con (supongo) antenas aproximadamente 1/10 de lo que predicen las calculadoras? Me doy cuenta de que diferentes geometrías de antena darán diferentes resultados, pero ¿¿un factor de diez?

Respuestas (4)

Comencemos con algunos conceptos básicos de antena.

La eficiencia de la antena es proporcional a la longitud de la antena hasta λ 2 dónde

λ = v F

Una antena que tiene la mitad de la longitud de la onda electromagnética que recibe se denomina antena de "media onda". En el espacio libre, una señal de GPS a 1,575 GHz tiene una longitud de onda de 19 cm, por lo que querrá una antena de media onda de 9,5 cm para captar la señal sin pérdida de eficiencia de la propia antena. Steve Jobs se está revolcando en su tumba ahora mismo. ¡No puedes poner una antena de 10 cm en un iPhone! Entonces, ¿qué podemos hacer para hacerlo más pequeño?

Para empezar, puede engañar a la onda haciéndola pensar que la antena es en realidad la mitad de la longitud de onda haciéndola un cuarto de la longitud de onda y luego montándola en un plano o chasis de tierra conductora adyacente que también tiene al menos un cuarto de la longitud de onda. Esto se conoce como una antena de "cuarto de onda". Para nuestro receptor GPS, necesitaríamos una antena de cuarto de onda de 4,25 cm para captar la señal. No es lo suficientemente bueno, ¡pero al menos vamos en la dirección correcta! qué más podemos hacer?

Bueno, echemos un vistazo a nuestra ecuación para λ . ¿Hay alguna manera de que podamos acortar la longitud de onda para que podamos tener una antena más corta? Bueno, la frecuencia está establecida, no hay mucho que podamos hacer para cambiarla, pero ¿qué pasa con la velocidad de fase? La velocidad de fase se define como

v = 1 ϵ m
dónde ϵ es la permitividad del medio de transmisión, y m es la permeabilidad. Si podemos aumentar cualquiera de ellos, nos hemos comprado algo de longitud.

Bueno, resulta que la mayoría de las antenas GPS son antenas microstrip, por lo que la onda viaja en parte a través del aire y en parte a través del sustrato de la PCB, como se muestra en esta imagen.

ingrese la descripción de la imagen aquí

https://www.3ds.com/uploads/pics/microstrip-transmission-line-quasi-tem-mode.png

Calcular la longitud de onda real de la onda que viaja en una microcinta no es muy sencillo, pero, por ejemplo, si usamos FR4 como sustrato de PCB, podríamos reducir la longitud de onda a la mitad si tenemos suerte. Genial, hemos reducido la longitud de nuestra antena a ~2,1 cm. ¿Es eso lo suficientemente bueno? ¡No!

Aquí es donde las cosas comienzan a ponerse un poco peludas, y por peluda me refiero a no lineal. Los diseñadores de antenas se han preguntado qué más pueden hacer para hacer las antenas más pequeñas, y encontraron un truco muy ingenioso. Puede "disminuir la velocidad" de la onda que viaja en la microbanda haciendo una ranura en el plano de tierra que fuerce a la corriente de retorno en el plano de tierra a tomar un camino más largo. Esto reduce efectivamente la velocidad de fase de la onda, lo que significa que puede hacer que la antena sea mucho más pequeña hasta que, de repente, bing bang boom tenga solo 9 mm cuadrados. ¡Ese es el tipo de antena que los fabricantes de teléfonos quieren usar!

Existen otros métodos utilizados para miniaturizar antenas. Ha habido mucha investigación centrada en esta idea y, como probablemente puedas ver, se vuelve bastante complicada. Lo suficientemente complicado como para que la mayoría de las calculadoras en línea no hagan los cálculos por ti.

¿La "longitud" de la antena debe estar en línea recta? ¿O es posible tener formas 2D o 3D más complejas donde la longitud total es lo que uno quiere, pero el área cubierta tiene una dimensión lateral mucho más pequeña? Por ejemplo, una espiral, o una forma de ida y vuelta, o...? Muchas de las antenas más pequeñas (especialmente las trazas de PCB) suelen tener formas extrañas, ¿es por eso? ¿Qué pasa con las antenas de cerámica?
@jcaron, esta sería una pregunta separada, pero la topología de antena microstrip más simple es rectangular, donde la longitud determina la longitud de onda de recepción y el ancho controla la impedancia. Se utilizan otras geometrías, incluidas las apiladas y plegadas, que serían 3D, pero el objetivo de estas es aumentar la ganancia. Otros tipos de antenas tienen diferentes formas para reducir la longitud y también aumentar la ganancia y el ancho de banda.
Soy el tipo que preguntó. Muchas gracias. Esto explica lo que parecía imposible. Ahora sé que las calculadoras son útiles, pero también lo que las calculadoras no tienen en cuenta. Eso es lo que buscaba.
Las cerámicas de @jcaron tienen una permitividad (constante dieléctrica) ridículamente alta, por lo que también las usamos para hacer gorras. Esta alta permitividad ralentiza mucho las ondas, acortando la longitud de onda y, por lo tanto, también la antena. (Pero debido a que la cerámica también tiene muchas más pérdidas que el aire, la antena no será tan eficiente como la de un adulto. Pero a veces, el tamaño importa más que el rendimiento).
@jcaron Echa un vistazo a Raspberry Pi 3 Model B o Raspberry Pi 4. Utiliza una antena de PCB grabada que tiene una geometría fractal. es diminuto
Buen equilibrio entre detalles tecnológicos, habilidades literarias y fórmulas +1
Vine aquí para decir lo que veo que Andy ya ha dicho.

La física no establece un límite inferior al tamaño de una antena eficiente. Hay compensaciones entre la eficiencia, el tamaño y el ancho de banda: he visto varias fórmulas aproximadas que intentan capturar esto. El GPS tiene un ancho de banda bajo, por lo que el tamaño mínimo para una antena eficiente es pequeño. En la práctica, cuanto más pequeño es el tamaño de la antena, más afectan a la eficiencia las propiedades no ideales del material (resistividad, absorción dieléctrica...).

El dipolo común de media onda es especial solo en el sentido de que es simple de analizar, simple de construir y relativamente insensible a las propiedades de sus materiales. El diseño de antenas más pequeñas y eficientes es un asunto más complicado.

Tal vez considere usar "efectivo" como apto para el propósito , en lugar de "eficiente" como con pérdidas mínimas . Una antena puede ser un 2% "eficiente", pero aún ser "eficaz" en una aplicación de baja tasa de datos solo de recepción (pensando específicamente en receptores de señal de tiempo que caben en un reloj de alarma pero reciben la señal de tiempo DCF77 de 1 baudio 77.5 kHz a 2000 km de distancia...)
@Jostikas Cierto, para detectar una señal no necesita transferir energía al amplificador de entrada. Pero parte del truco para detectar sin transferencia de energía mientras se minimiza el ruido es tener un amplificador con una temperatura de ruido muy por debajo de la temperatura de ruido electromagnético ambiental. A 77 kHz, el nivel de ruido natural es de un billón de kelvin, por lo que no es demasiado difícil. A 1,5 GHz, el ruido natural es de aproximadamente 3 kelvin: domina el ruido del amplificador de entrada. Si es realmente quisquilloso con la señal/ruido del GPS, el óptimo generalmente no se corresponderá con la eficiencia de transferencia de energía perfecta, pero estará bastante cerca.
@John Doty: ¿Quizás incorporar algo de esto en la respuesta (los comentarios pueden eliminarse en cualquier momento)? Puede editar (cambiar) su respuesta. (Pero sin "Editar:", "Actualizar:" o similar, la respuesta debería aparecer como si hubiera sido escrita hoy).
@PeterMortensen El comentario aborda el comentario de Josikas, no la pregunta original, por lo que no pertenece a la respuesta.
@JohnDoty Bien, ahora tengo curiosidad. El "ruido natural", ¿de dónde viene? He estado hurgando en Wikipedia y demás, y no puedo entender cómo se obtienen esos números. ¿Me puede dar una referencia para eso? o lo que debo google? Veo ecuaciones para el ancho de banda, pero eso no es lo mismo que la frecuencia, por supuesto.
Para frecuencias por debajo de 30 MHz, es principalmente una combinación de ruido atmosférico (rayos) y galáctico (sincrotrón). El Informe 322 del CCIR ( search.itu.int/history/HistoryDigitalCollectionDocLibrary/… ) es la referencia estándar. De ~30 MHz a ~1 GHz, domina el ruido galáctico. Otras fuentes cósmicas, incluido el Sol, también contribuyen un poco. Por encima de ~1 GHz, domina el fondo cósmico de 2,7 kelvin del Big Bang.
@John Doty Mi comentario fue principalmente lingüístico.
@Jostikas Entonces mantengo lo que escribí. Es común tener antenas pequeñas que son efectivas en recepción pero no eficientes , especialmente en frecuencias más bajas. Pero para las microondas, la eficacia y la eficiencia están más estrechamente relacionadas.
@JohnDoty Usted menciona el ancho de banda: ¿se reduce a que se trata de una situación de "antena pequeña que puede ser eficiente, pero para un rango muy estrecho de frecuencias"? Por lo tanto, una antena GPS para un receptor de código C/A puede ser eficiente, ya que solo se espera que reciba 1545,72 +-0,5 MHz, mientras que una antena BLE en miniatura sale perdiendo debido a que se espera que funcione aproximadamente igual de bien en sus 80 MHz. rango de frecuencias potenciales?
@Jostikas Sí, eso es todo.

La señal no puede estar en condiciones de campo cercano, no con los satélites viviendo en órbita.

Las antenas de varilla de ferrita en las radios AM que operan desde 150 kHz hasta alrededor de 1700 MHz no estaban ni cerca de las dimensiones de la longitud de onda de propagación. Simplemente usaron la presencia de una parte de la onda EM para extraer una señal del "éter": -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Imagen de esta pregunta y respuesta . Enlace disponible.

La varilla de ferrita capta la parte magnética (M) de la onda EM.

No son tan efectivos como un dipolo o un monopolo, pero son "suficientemente buenos".

No estoy diciendo que su antena GPS imprecisa y no especificada funcione según este principio, sino que la técnica anterior se puede volver a escalar para frecuencias más altas.

+1por mejor respuesta y por usar una radio AM para hacerlo. Aunque es un ejemplo subóptimo para la presente pregunta, el acoplamiento inductivo resonante para la carga inalámbrica ilustra la "atracción de un campo magnético de CA desde el 'éter'". Es un caso en el que la eficiencia energética debería ser alta y, dado que está en el campo cercano, puede ser muy alta en comparación con la geométrica. (por ejemplo, WiTricity )

¿Quién dice que se necesita una antena muy eficiente?

En los viejos tiempos: se necesitaba una antena activa (disco) para obtener casi cualquier función. Si bien una mejor antena es siempre un objetivo, no siempre se necesitan para un rendimiento razonable. El sofisticado hardware y las matemáticas que generan la enorme ganancia de procesamiento bajo el capó son responsables de gran parte del rendimiento.

¿Cómo puede una antena cuadrada de 9 mm captar GPS?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v