PIFAs von ProAnt - Planare invertierte F-Antennen

Auf dem heutigen Elektronikmarkt spielt die drahtlose Kommunikation eine immer wichtigere Rolle. Dies führt zu einer wachsenden Nachfrage nach Komponenten im Zusammenhang mit drahtloser Kommunikation, z. B. Antennen.

In diesem Blog konzentrieren wir uns auf einen bestimmten Antennentyp, die planare invertierte F-Antenne (Planar Inverted-F Antenna, PIFA), die in der drahtlosen Kommunikation vielfältig eingesetzt werden kann. Die PIFA ist eine spezielle Monopolantenne (mit einer Kurzschlussverbindung), die von der IFA (inverted-F antenna) abgeleitet wurde (Abbildung 1). Die PIFA (Abbildung 2) ist eine IFA mit einer oberen Antennenfläche anstelle eines einzelnen Drahts.

Typische IFA (links) und typische PIFA (rechts) (Bildquelle: ProAnt)

Patchantennen und PIFAs ähneln sich darin, dass sie von Natur aus für schmale Bänder bestimmt sind. Die Bandbreite einer PIFA kann allerdings durch verschiedene Techniken wie parasitäre Masseelemente und Schlitze in der Antennenfläche erweitert werden. Darüber hinaus kann die Größe der oberen Fläche mithilfe dieser Technik geändert werden, was zu kleineren Antennen mit geringerem Platzbedarf führt.

Abbildung 3: Ein HF-Modul und weitere Komponenten können zusammen bei Verwendung einer PIFA unter der Antenne montiert werden. (Bildquelle: ProAnt)

Die Größe der PIFA kann auch durch Dachkapazitäten beeinflusst werden. Dies hat allerdings Konsequenzen. Zur Erreichung von niedrigeren Frequenzen können am äußersten Ende der Antenne kleine Kondensatoren angefügt werden. Dadurch verschlechtern sich allerdings die Einstrahlungseigenschaften. Mithilfe dieser Methode kann für bestimmte Einsatzzwecke ein optimaler Ausgleich zwischen Größe und Leistung erzielt werden.

Wenn die Antenne parallel und über der Platine positioniert wird, wird dort nur Platz für die Befestigungsstifte benötigt. Dies ist der große Vorteil von PIFAs. Darüber hinaus ist kein bestimmter Abstand zu Masse oder anderen Metallelementen erforderlich. Dies bedeutet, dass auf beiden Layern der Platine weitere Komponenten unter der Antenne angebracht werden können (Abbildung 3).

Die bereits erwähnte Kurzschlussverbindung sorgt dafür, dass die Impedanz der Antenne der übrigen Schaltung entspricht. Monopolantennen sind von Natur aus kapazitiv und benötigen eine Induktivität, mit deren Hilfe sie auf die optimale Impedanz eingeregelt werden können (normalerweise 50 Ω). Die Kurzschlussverbindung liefert die zur Anpassung der Impedanz erforderliche Induktivität. So werden weniger passive Komponenten zur Anpassung der Impedanz erforderlich. Mit weniger Komponenten sind auch die parasitären Verluste geringer und damit wird die Einstrahlung effizienter.

Abbildung 4: Einstrahlungsmuster der PIFA und Polarisierungsbeispiele (Bildquelle: ProAnt)

Je nach Einsatz neigen PIFAs zu einer mittleren bis hohen Bandbreite und einem Einstrahlungsmuster in alle Richtungen mit gemischter Polarisierung (Abbildung 4). Darüber hinaus sind PIFAs von Natur aus unempfindlich gegen Änderungen der Umgebung dank ihrer festen Verbindung mit der Masseebene der Platine über die Kurzschlussverbindung. Aus diesen Gründen werden PIFAs weiterhin mit ihren effizienten Einstrahlungsmustern überzeugen, während andere Antennentypen zu einer Frequenzdrift neigen und die Einstrahlungseigenschaften unter suboptimalen Umgebungsbedingungen nachlassen (z. B. beim Einsatz in der Nähe von Metall).

Zusammenfassung

Antennen werden für Millionen von Anwendungen benötigt, kabelgebundene und mobile, mit einer Vielzahl von Kommunikationsprotokollen und Frequenzen. Die Wahl der Antennentechnologie kann für eine stabile drahtlose Kommunikation entscheidend sein.

Während sich einige Antennentypen normalerweise nur für den Einsatz bei konstanten und bekannten Einstrahlungsrichtungen eignen (Keramik-Patch-Antennen), bieten PIFAs eine größere Flexibilität. Die PIFA-Technologie ist für ein Einstrahlungsmuster aus mehreren Richtungen mit einem großen Anteil von gemischter Polarisierung ausgelegt. Dies erweist sich als sehr nützlich für ortsfeste Installationen, hat aber auch dank der Tatsache, dass PIFAs unabhängig von den Umgebungsbedingungen stabil sind, entscheidende Vorteile für Mobilgeräte, die in sich ständig ändernden Umgebungen eingesetzt werden, z. B. tragbare Geräte.

Literatur:

1 – Technische Hinweise von ProAnt, 23.08.2016 – Planare invertierte F-Antenne (PIFA)