ProAnt PIFA - Antenne planari a F invertita

Nel settore dell'elettronica odierna, la connettività wireless ormai rappresenta una funzione sempre più importante. Ne deriva una maggiore richiesta di componenti associati alle comunicazioni wireless, incluse le antenne.

In questo blog, ci concentreremo su un tipo di antenna, l'antenna planare a F invertita (PIFA), che può essere utilizzata in diverse applicazioni wireless. La PIFA è un'antenna monopolo specializzata (con un braccio di cortocircuito) derivante dall'antenna a F invertita (Figura 1). La PIFA (Figura 2) è un tipo di antenna a F invertita che ha una piastra superiore invece di un filo singolo.

Tipica antenna a F invertita (sinistra) e tipica antenna PIFA (destra) (Immagine per gentile concessione di ProAnt)

Le antenne patch e PIFA sono simili in quanto entrambe sono intrinsecamente a banda stretta. Tuttavia, l'integrazione di diverse tecniche, come elementi di terra parassiti e scanalature di taglio nel piatto, può ampliare la larghezza di banda di una PIFA. Inoltre, l'utilizzo di queste tecniche consente di modificare le dimensioni della piastra superiore, il che si traduce in antenne più piccole e meno spazio occupato su scheda.

Figura 3: L'uso di una PIFA consente di montare un modulo RF e altri componenti sotto l'antenna. (Immagine per gentile concessione di ProAnt)

È anche possibile modificare le dimensioni di una PIFA usando una carica superiore. Ciò ha però delle conseguenze. Per raggiungere frequenze più basse, è possibile inserire piccole capacitanze all'estremità dell'antenna. In tal caso tuttavia verrà ridotta la capacità di radiazione. L'utilizzo di questo metodo può aiutare a raggiungere un equilibrio ottimale tra dimensioni e prestazioni per una determinata applicazione.

Con l'antenna posizionata parallela e sopra la scheda dei circuiti, l'unico spazio richiesto è quello dei pin di montaggio. Questo è un notevole vantaggio dell'uso di una PIFA. Inoltre, non è richiesto spazio verso terra o altro metallo. Ciò significa che sotto l'antenna su entrambi gli strati della PCB possono essere montati altri componenti (Figura 3).

Il braccio di cortocircuito, precedentemente menzionato, fa in modo che l'impedenza dell'antenna corrisponda al resto del circuito. I monopoli, essendo naturalmente capacitivi, richiedono l'aggiunta di un'induttanza in modo che l'antenna possa essere adattata all'impedenza ottimale (solitamente 50 Ω). Il braccio di cortocircuito fornisce questa induttanza corrispondente all'impedenza. In tal modo sono necessari meno componenti passivi per abbinare l'impedenza. Con meno componenti, ci sono meno perdite parassite e quindi una maggiore efficienza di radiazione.

Figura 4: Esempi di modello di radiazione e polarizzazione di una PIFA (Immagine per gentile concessione di ProAnt)

A seconda dell'applicazione, le PIFA tendono ad avere una larghezza di banda da moderata ad alta e un diagramma di radiazione omnidirezionale con polarizzazione mista (Figura 4). Inoltre, queste antenne sono intrinsecamente robuste per quanto riguarda i cambiamenti ambientali grazie alla loro forte connessione al piano GND della PCB attraverso il braccio di cortocircuito. Il risultato è che tenderanno a sostenere il loro efficiente diagramma di radiazione mentre altri tipi di antenne mostrano una tendenza alla deriva in frequenza e perdono capacità di radiazione quando incontrano cambiamenti ambientali non ottimali (ad es. quando operano vicino al metallo).

Conclusione

Le antenne sono necessarie per una miriade di applicazioni, sia fisse che mobili, con una varietà di protocolli e frequenze di comunicazione. La scelta della tecnologia dell'antenna può essere fondamentale per una connettività wireless stabile.

Mentre alcuni tipi di antenna sono in genere utili solo per le applicazioni in cui la direzione della radiazione è costante e sempre nota (ad es. antenne patch ceramiche), le PIFA offrono maggiore flessibilità. La tecnologia PIFA offre un diagramma di radiazione molto omnidirezionale con grande polarizzazione mista. Ciò si rivela molto utile nelle applicazioni fisse ma in particolare esplica notevolissime doti di efficienza con i dispositivi mobili utilizzati in ambienti in continua evoluzione, come quelli indossabili, poiché le PIFA rimangono molto stabili indipendentemente dall'ambiente circostante.

Riferimenti:

1 - Nota tecnica 2016-08-23 – Antenne planari a F invertita (PIFA)