Что такое антенна Ground Plane. Как устроена антенна Ground Plane. Для чего нужна антенна Ground Plane. Какие преимущества у антенны Ground Plane. Где применяется антенна Ground Plane.
Что такое антенна Ground Plane и как она устроена
Антенна Ground Plane (GP) представляет собой вертикальную антенну, состоящую из вертикального излучателя и нескольких радиальных проводников, расположенных в горизонтальной плоскости. Основные элементы конструкции:
- Вертикальный штырь-излучатель длиной λ/4 (четверть длины волны)
- 3-4 горизонтальных противовеса (радиала) длиной λ/4 каждый
- Коаксиальный разъем для подключения кабеля
Вертикальный излучатель обычно изготавливается из медной проволоки или трубки. Противовесы выполняются из такого же материала. Все элементы крепятся к коаксиальному разъему, который служит точкой питания антенны.
Принцип работы антенны Ground Plane
Принцип действия антенны Ground Plane основан на создании искусственной проводящей поверхности с помощью радиалов. Как это работает?
- Вертикальный излучатель создает вертикально поляризованное электромагнитное поле
- Горизонтальные противовесы формируют отражающую поверхность
- Отраженные от противовесов волны складываются с прямыми волнами от излучателя
- В результате формируется диаграмма направленности в виде «пончика»
Таким образом, противовесы выполняют роль искусственной земли, от которой отражается излучение. Это позволяет получить низкий угол излучения, что важно для дальней связи.
Преимущества антенны Ground Plane
Антенна Ground Plane обладает рядом достоинств, которые обусловили ее широкое применение:
- Простота конструкции и изготовления
- Широкая полоса рабочих частот
- Круговая диаграмма направленности в горизонтальной плоскости
- Низкий угол излучения в вертикальной плоскости
- Хорошее согласование с 50-омным кабелем
- Компактные размеры (λ/4 по высоте)
Благодаря этим свойствам антенна Ground Plane позволяет обеспечить уверенную связь на большие расстояния при относительно небольших габаритах.
Области применения антенн Ground Plane
Антенны типа Ground Plane нашли широкое применение в различных областях радиосвязи:
- Любительская радиосвязь на КВ и УКВ диапазонах
- Мобильная радиосвязь (автомобильные антенны)
- Базовые станции сотовой связи
- Морская радиосвязь
- Радиовещание в диапазонах AM и FM
- Беспроводные системы Wi-Fi и Bluetooth
Особенно эффективны антенны Ground Plane для организации связи в сложных условиях — при наличии помех, в городской застройке, в гористой местности.
Разновидности антенн Ground Plane
- GP с наклонными противовесами — для регулировки входного сопротивления
- Укороченная GP — с емкостной или индуктивной нагрузкой
- Многодиапазонная GP — с трапами на излучателе
- GP с удлиненным излучателем (5/8λ) — для повышения усиления
- Дискоконусная GP — для расширения рабочей полосы частот
Каждая из этих модификаций позволяет улучшить определенные характеристики антенны для конкретных условий применения.
Расчет и настройка антенны Ground Plane
При самостоятельном изготовлении антенны Ground Plane необходимо правильно рассчитать длину элементов и выполнить настройку. Основные этапы:
- Расчет длины излучателя и противовесов по формуле L = 71,5/f (МГц)
- Изготовление элементов с запасом по длине
- Сборка антенны и подключение к анализатору или КСВ-метру
- Постепенное укорачивание излучателя до получения минимального КСВ
- Подстройка длины противовесов для дополнительного снижения КСВ
При правильной настройке КСВ антенны не должен превышать 1,5 в рабочем диапазоне частот. Это обеспечит максимальную эффективность излучения.
Особенности монтажа антенны Ground Plane
При установке антенны Ground Plane следует учитывать некоторые важные моменты:
- Антенна должна располагаться вертикально
- Необходимо обеспечить свободное пространство вокруг антенны
- Желательно размещение антенны на высоте не менее λ/2 над землей
- Следует избегать близкого расположения металлических предметов
- Коаксиальный кабель должен отходить от антенны горизонтально
Соблюдение этих правил позволит реализовать все преимущества антенны Ground Plane и добиться максимальной дальности связи.
Сравнение антенны Ground Plane с другими типами антенн
Рассмотрим, как антенна Ground Plane соотносится по характеристикам с некоторыми другими распространенными типами антенн:
| Параметр | Ground Plane | Диполь | Яги |
|---|---|---|---|
| Диаграмма направленности | Круговая | Восьмерка | Направленная |
| Коэффициент усиления | 2-3 дБ | 2,15 дБ | 7-12 дБ |
| Полоса частот | Широкая | Узкая | Узкая |
| Габариты | Компактная | Средние | Большие |
Как видно, антенна Ground Plane сочетает в себе достоинства других типов при относительно небольших размерах.
Антенна Ground plane для Wi-Fi, 3G, 4G своими руками.
Эта антенна давно используется в радиосвязи в различных диапазонах волн, включая КВ. Она известна под названием «Вертикальный четвертьволновый штырь», «Ground plane (GP)». В сантиметровом диапазоне (Wi-Fi, 3G) она имеет конечно маленькие размеры и внешне напоминает паука, за что и получила такое имя.
Кроме четвертьволнового вертикального штыря применяется также полуволновой, такая антенна носит название J-антенна.
Однако, на радиолюбительских КВ диапазонах применяется абсолютно другая конструкция направленной антенны, тоже получившая прозвище паук. Здесь важно не запутаться. Усиление у нее не более 2.15 dBi (как у диполя), в горизонтальной плоскости она имеет круговую диаграмму направленности, т.е. является всенаправленной антенной. Антенна имеет хорошую повторяемость и может быть использована в любом диапазоне CDMA, 3G, Wi-Fi.
Какой смысл в такой антенне, спросите вы? А вот какой.
Допустим у вас имеется десктопный компьютер и вы хотите подключиться к Wi-Fi сети. Для этого вы приобрели PCI Wi-Fi адаптер. Конечно можно его использовать и с родной антенной и не заморачиваться на этом, но вспомним про условия распространения радиоволн. Вполне возможно антенна попадет в мертвую зону интерференционной картины поля внутри помещения. Вероятность этого возрастает если системник стоит под столом где-то около стены. Тогда, чтобы не двигать весь системный блок, всенаправленная GP антенна окажется очень полезной. Кроме того, в диапазоне 3G или CDMA, если модем при потере сигнала переключится на другую базовую станцию, соединение не потеряется, как в случае с направленной антенной. Однако надо помнить, что сигнал в месте установки антенны должен быть достаточным для нормальный работы модема.
Конструкция антенны очень простая.
Для ее изготовления необходим N-коннектор, небольшой кусок медного провода диаметром 1-2 мм и паяльник. Конструкция хорошо понятна из рисунка.
Входное сопротивление антенны близко к 50 Ом, поэтому подключать ее к адаптеру необходимо отрезком кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом с припаянными на концах ответными коннекторами «папа».Никаких дополнительных схем симметрирования и согласования не требуется.
Самый простой вариант изготовления антенны, это кусок кабеля с коннектором, второй конец которого разделан как на рисунке:
Антенна вполне годится на любой диапазон, включая CDMA-450. Такая антенна уже будет выглядеть примерно вот так.
Как видите «паук» уже стал похож на образ из фантастического фильма.
Коннектор запрессован в пластиковую трубку, соединение герметизировано.
Обычно такая антенна работает в условиях хорошего приема и ее не настраивают. Если же у вас возникла необходимость в настройке «Ground plane», то можно менять резонансную частоту антенны, меняя размеры элементов (меньше размер — выше частота). При изменении угла наклона противовесов меняется входное сопротивление антенны примерно от 30 до 75 Ом, соответственно при противовесах перпендикулярных штырю и полностью загнутых в противоположную штырю сторону.
|
How далеко вы хотите, чтобы покрыть в диаметре?
305 номер Huilan Building No.273 Хуанпу-роуд Гуанчжоу Китай Zip: 510620
www.westernunion.com
Что такое плоскость заземления антенны CB?
Заземляющая пластина для радиоантенны CB представляет собой металлическую поверхность, необходимую под антенной.
В мобильных приложениях корпус/рама транспортного средства действует как заземляющая пластина (отражающая единица). Металлическая поверхность позволяет сигналу, генерируемому при передаче, отражаться от поверхности и распространяться в атмосфере.
Заземляющий слой антенны не следует путать с электрическим заземлением. Типичная мобильная CB-антенна не передает по горизонтали, она излучает по нисходящей схеме. Под антенной CB требуется металлическая поверхность (чем больше и ровнее, тем лучше) для передачи сигнала в атмосферу. Без соответствующей поверхности земли сигнал не будет распространяться в атмосферу, что приводит к ограничению дальности передачи. Повреждение вашего CB-радио также может произойти, если у вас нет надлежащего заземляющего слоя, потому что это обычно вызывает высокий КСВ, и сигнал может обратно поступать в трансивер, вызывая внутреннее повреждение вашего радио.
Следует отметить, что плохое заземление или излучающая поверхность не могут повлиять на прием радиосигнала.
Вы по-прежнему можете принимать передачи от других радиостанций с заземлением или без него. По сути, вы можете принимать передачи на вешалке для одежды!
Очень важно понимать, что вы должны проверить и настроить антенну (настроить антенну), чтобы убедиться, что она работает правильно.
Если у вас есть автомобиль или лодка из стеклопластика, вам понадобится антенна без заземления. В системах без заземления экран коаксиального кабеля используется для противовеса (заменяет заземление).
Антенна CB без заземления (NGP)
Антенна CB без заземления — это антенна CB, для работы которой не требуется заземление (большая металлическая поверхность под ней). Антенны Ground Plane специально разработаны для работы на транспортных средствах и лодках из стеклопластика. Антенна No Ground Plane, установленная на транспортном средстве или лодке, изготовленной из металла, не будет работать должным образом. В большинстве случаев вы не сможете настроить антенну, что приведет к высокому КСВ, что может повредить вашу радиостанцию.
Антенна без заземления предназначена для использования земли или воды для горизонтальной передачи. Антенна без заземляющего слоя не будет работать так же хорошо, как традиционная CB-антенна той же длины, но в ситуациях, когда у вас нет достаточного заземляющего слоя, например, на лодке, фургоне или мотоцикле, они помогут. Перед установкой антенны обязательно внимательно прочитайте инструкции.
Для антенных систем NGP требуется коаксиальный кабель NGP и антенна NGP. Коаксиальный кабель NGP заканчивается кольцевыми разъемами на одном конце для крепления к креплению и PL259 на другом конце, который крепится к радио. Для антенных систем NGP не требуется специальное крепление, но важно выбрать крепление, совместимое с коаксиальным кабелем NGP с кольцами/наконечниками. Например, обратите внимание на шпильку антенны K4 — это тип соединения, которое необходимо монтировке для подключения коаксиального кабеля NGP.
Пружины и быстроразъемные соединения могут использоваться с антенными системами NGP.
Наземные усилители
Доступны некоторые устройства, которые могут улучшить вашу наземную плоскость. Обычно это достигается добавлением 3-точечного радиала к нижней части антенны. Усилители Ground Plane не предназначены для использования в качестве единственного заземляющего слоя для антенны, они просто помогают добиться лучшей поверхности земли.
Все ли антенны нуждаются в заземлении?
Дом Радиочастотный дизайн Всем ли антеннам нужен заземляющий слой?
Захария Петерсон
| Создано: 1 декабря 2022 г.  |  Обновлено: 20 декабря 2022 г.
Содержание
- Как земля влияет на радиацию
- Некоторые антенны должны иметь заземление
Один из наиболее распространенных вопросов, которые мне задавали, как с точки зрения проектирования печатных плат, так и относительно радиочастотных систем в целом, связан с использованием земли рядом с антенной.
Как я подробно рассказывал в других статьях и как это действительно хорошо известно, заземленный проводник обычно обеспечивает некоторую защиту от электромагнитных волн, которые в противном случае распространялись бы в материале. На самом деле, проводник не обязательно должен буквально соединяться с землей (землей), он должен быть достаточно большим, чтобы выступать в качестве сильного источника/приемника избыточного заряда для нейтрализации приходящей волны.
Независимо от того, говорим ли мы об электромагнитных помехах или шуме, происходящем от близлежащего межсоединения, или мы говорим о большом излучателе на печатной плате, влияние земли может быть одинаковым, и наличие земли рядом с антенной будет влиять на излучатель. радиационные характеристики. Простой ответ на вопрос «нужен ли антенне заземляющий слой»: «это зависит от обстоятельств». Я подробно расскажу почему в этой статье.
Не все антенны нуждаются в заземлении. Некоторые антенны сконструированы над поверхностью земли для создания определенной диаграммы направленности, управления входным сопротивлением антенны или по практическим соображениям реализации.
С точки зрения электричества функция заземляющего слоя под антенной заключается в создании излучателя изображения в области земли. Это используется для удовлетворения электромагнитных граничных условий, когда электрическое поле заканчивается до нуля на плоскости земли. Антенна, расположенная над плоскостью земли, будет излучать только в область над землей. Затем это определит диаграмму направленности, которую можно было бы увидеть с антенны.
Ниже показан пример диаграммы направленности небольшой патч-антенны. В этом примере патч-антенна соответствует стандартным рекомендациям и размещается над плоскостью заземления. Как видим, излучение идет только в область над антенной.
Концептуально этого следовало ожидать, и это происходит потому, что плоскость заземления действует как излучатель равной величины с противоположной полярностью, который накладывает свое излучение на антенну.
Заземляющая пластина по существу отражает излучение от проводящей заземляющей пластины, поэтому любое излучение, идущее к заземляющей пластине, будет отражаться и оставаться в области над заземляющей пластиной.
Учитывая все это, существуют печатные антенны, которые можно размещать на печатной плате как печатный элемент и которые не требуют заземления. Обычно это трассировочные антенны, такие как перевернутая F-антенна или четвертьволновая трассировочная антенна.
Эта антенна из моего недавнего проекта MCU nRF52 WLCSP. Он расположен вдоль края платы, а земля под антенной очищена.Если вы посмотрите на эталонные проекты или некоторые другие рекомендации в Интернете, вы часто увидите, что они разработаны для области печатной платы, где земля была полностью очищена. Идея состоит в том, чтобы позволить антенне излучать в любом направлении. Однако другие антенны должны иметь заземление непосредственно под собой, чтобы создать желаемую диаграмму направленности.
Как только мы отойдем от несимметричных, дипольных и рамочных антенн, мы увидим несколько примеров на печатных платах антенн, которые должны иметь заземляющий слой, чтобы быть эффективными.
Здесь я выделю два простых примера:
- Патч-антенны
- Щелевые или боковые эмиттеры
Обратите внимание, что вы можете придумать гораздо больше стилей антенн, которые не являются патч-решетками или краевыми/щелевыми излучателями. Пока у вас есть высокочастотный симулятор (HFSS или openEMS для толпы с открытым исходным кодом), вы можете рассчитать характеристики излучения вашей антенны.
Сначала рассмотрим патч-антенны и патч-антенны. Индивидуальная патч-антенна в основном представляет собой открытый резонатор над плоскостью земли, и эти антенны излучают вокруг края патча. При размещении в массиве микрополоски, соединяющиеся с патчами в массиве, требуют определенного значения импеданса для обеспечения высокой эффективности излучения. Следовательно, земля нам нужна по двум причинам: для задания импеданса микрополоски и собственных мод антенны (резонансных частот).
Пример радиолокационного модуля K-диапазона с двумя параллельными массивами патчей.
Кредит на модуль и изображение принадлежит Digi-Key. Далее давайте рассмотрим щелевые и краевые эмиттеры. Это необычно, но их легко спроектировать с помощью микрополоскового волновода, встроенного в подложку волновода, компланарной полосковой линии с землей или даже щелевого волновода. В этом случае щелевая антенна фактически является вырезом в наземной сети, и антенна работает, излучая через щель. Простым примером является щелевая антенна с микрополосковой связью, показанная ниже; входная микрополоска управляется импедансом и требует заземления на L2.
Краевая излучающая антенна проста; просто поместите отверстие на краю конструкции, которое направляет распространение. Пример с интегрированным в подложку волноводом показан ниже. Согласование граничных условий на краю может быть затруднено, если вы не знаете, как решать дифференциальные уравнения, но это тема для другой статьи. Взгляните на тестовую плату ниже, чтобы увидеть, как это можно реализовать с интегрированным в подложку волноводом.
Поскольку расчет рабочих условий для некоторых антенн может иногда вызывать трудности, разработчики, скорее всего, будут следовать эталонному проекту или указаниям производителя по применению. Хотя обычно я советую людям быть осторожными с этими примечаниями, я скажу, что наземные ориентиры в области антенны, скорее всего, верны и заслуживают внимания.
В следующий раз, когда вам понадобится спроектировать ВЧ-печатную плату с напечатанной пользовательской антенной и стратегией заземления, используйте полный набор инструментов для проектирования продуктов в Altium Designer®. Когда вы закончили свой проект и хотите передать файлы своему производителю, платформа Altium 365™ упрощает совместную работу и совместное использование ваших проектов. Приходите ознакомиться с новейшими выпусками функций в Altium Designer.
Мы лишь немного коснулись возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.
Об авторе
Об авторе
Захария Петерсон имеет обширный технический опыт в научных кругах и промышленности.
В настоящее время он предоставляет исследовательские, дизайнерские и маркетинговые услуги компаниям электронной промышленности. До работы в индустрии печатных плат он преподавал в Портлендском государственном университете и проводил исследования в области теории случайных лазеров, материалов и стабильности. Его опыт научных исследований охватывает темы лазеров на наночастицах, электронных и оптоэлектронных полупроводниковых устройств, датчиков окружающей среды и стохастики. Его работы были опубликованы в более чем дюжине рецензируемых журналов и материалов конференций, и он написал более 2000 технических статей по проектированию печатных плат для ряда компаний. Он является членом Общества фотоники IEEE, Общества упаковки электроники IEEE, Американского физического общества и Ассоциации инженеров по печатным схемам (PCEA). Ранее он был членом с правом голоса в Техническом консультативном комитете INCITS по квантовым вычислениям, работающем над техническими стандартами для квантовой электроники, а в настоящее время он работает в рабочей группе IEEE P3186, занимающейся интерфейсом порта, представляющим фотонные сигналы с использованием симуляторов цепей класса SPICE.
Другие материалы Zachariah Peterson
Связанные ресурсы
Как спроектировать коаксиальный зонд для патч-антенны Коаксиальные датчики можно использовать для подключения к патч-антенне. Посмотрите, как это работает, в этом примере дизайна. Читать статью
Советы по проектированию антенн MIMO и компоновке печатных плат Передовые продукты, работающие в радиочастотной области, все чаще используют антенные решетки MIMO для обеспечения высокой пропускной способности данных и обслуживания нескольких конечных пользователей. Читать статью Калькулятор микрополосковой патч-антенны для разработчиков радиочастот
Микрополосковые патч-антенны представляют собой простые конструкции для проектирования и изготовления, и они очень полезны вплоть до очень высоких частот.
Читать статью
Как спроектировать тройник смещения для усилителя мощности Тройники смещения используются в некоторых радиочастотных системах для разделения мощности переменного и постоянного тока на определенной линии. Узнайте больше о конструкции тройника косой в этой статье. Читать статью
Как рассчитать виртуальный массив в системах MIMO
ВЧ-системы и системы датчиков, использующие функциональность MIMO, имеют некоторые важные конструктивные ограничения, касающиеся конструкции и размещения виртуальной антенны.
В этих системах из-за потребности в более высоком разрешении и более высоком усилении передачи/приема тенденция заключалась в том, чтобы упаковать больше антенн в массив для формирования диаграммы направленности и приема сигналов низкого уровня. У этой тенденции есть причина, и она связана с важной концепцией систем антенных решеток. Когда
Читать статью
Дизайн печатной платы для технологии радиосвязи по оптоволокну
Возможно, технология передачи радио по оптоволокну является одним из наименее обсуждаемых аспектов оптоволоконных телекоммуникационных сетей. Тем не менее, это одна из многих частей телекоммуникационной инфраструктуры для обеспечения широкополосного беспроводного доступа в отдаленные районы. Этот подход, вероятно, сыграет важную роль в будущей инфраструктуре 5G в сельской местности, где стандартная беспроводная транзитная связь невозможна или слишком затратна.
Как и любая другая электронная система, радио
Читать статью
Что такое стандарт JESD204C для АЦП/ЦАП? JESD204C предоставляет стандартизированный интерфейс для высокочастотных АЦП с высокой частотой дискретизации, которые в настоящее время все чаще используются в коммерческих космических приложениях. Читать статью
Конструкция инвертированной F-антенны для печатной платы Узнайте, как спроектировать перевернутую F-антенну для топологии RF PCB. Читать статью
Конструкция антенны с фазированной решеткой для приложений 5G
По мере развертывания 5G и обсуждения 6G исследователями на рынке появляется множество новых продуктов с поддержкой 5G, работающих в диапазонах менее 1 ГГц и миллиметровых волнах.
