Una antena F invertida es un tipo de antena que se utiliza en las comunicaciones inalámbricas , principalmente en frecuencias de microondas y UHF . Consiste en una antena monopolar que corre paralela a un plano de tierra y está conectada a tierra en un extremo. La antena se alimenta desde un punto intermedio a cierta distancia del extremo conectado a tierra. El diseño tiene dos ventajas sobre un monopolo simple: la antena es más corta y más compacta, lo que le permite estar contenida dentro de la carcasa del dispositivo móvil, y el diseñador puede adaptar su impedancia al circuito de alimentación, lo que le permite irradiar energía de manera eficiente, sin la necesidad de componentes de adaptación extraños.
La antena F invertida se concibió por primera vez en la década de 1950 como una antena de alambre doblado. Sin embargo, su uso más extendido es como antena F invertida plana ( PIFA ) en dispositivos inalámbricos móviles por sus propiedades de ahorro de espacio. Las PIFA se pueden imprimir utilizando el formato de microbanda , una tecnología ampliamente utilizada que permite fabricar componentes de RF impresos como parte de la misma placa de circuito impreso que se utiliza para montar otros componentes.
Las PIFA son una variante de la antena de parche . Existen muchas variantes de esta y otras formas de F invertida que implementan antenas de banda ancha o multibanda. Las técnicas incluyen resonadores acoplados y la adición de ranuras.
La antena F invertida es una evolución de la antena monopolar de cuarto de onda ampliamente utilizada , que consiste en una varilla conductora montada perpendicularmente sobre un plano de tierra conductor , alimentada en su base. La antena de tipo F de alambre se inventó en la década de 1940. [1] En esta antena, la alimentación está conectada a un punto intermedio a lo largo de la longitud de la antena en lugar de a la base, y la base de la antena está conectada al plano de tierra. La ventaja de hacer esto es que la impedancia de entrada de la antena depende de la distancia del punto de alimentación desde el extremo conectado a tierra. La parte de la antena entre el punto de alimentación y el plano de tierra se comporta esencialmente como un trozo de cortocircuito . Por lo tanto, el diseñador puede hacer coincidir la antena con la impedancia de la línea de alimentación estableciendo la posición del punto de alimentación a lo largo del elemento de antena.
La antena en forma de L invertida es una antena monopolar doblada para que corra paralela al plano de tierra. Tiene la ventaja de ser compacta y de tener una longitud menor que la del monopolo, pero la desventaja de tener una impedancia muy baja, normalmente de unos pocos ohmios si se alimenta en la base, mientras que un monopolo alimentado en la base tiene una impedancia de 36,5 Ω. [2] La antena en forma de F invertida combina las ventajas de ambas antenas; tiene la compacidad de la antena en forma de L invertida y la capacidad de adaptarse a la impedancia del circuito de alimentación (a menudo 50 Ω en un circuito impreso) como la antena de tipo F. [3]
La antena en F invertida fue propuesta por primera vez en 1958 por el grupo de Harvard dirigido por Ronold WP King . [4] La antena de King tenía forma de alambre y estaba destinada a ser utilizada en misiles para telemetría . [5]
Una antena plana F invertida (PIFA) se utiliza para circuitos inalámbricos implementados en formato microstrip . El formato microstrip es el formato elegido para la electrónica de RF moderna . Se puede utilizar para implementar componentes de RF de elementos distribuidos requeridos, como filtros , y al mismo tiempo es económico porque se utilizan los mismos métodos de producción en masa que para las placas de circuitos impresos .
Una antena impresa en F invertida se puede implementar en la forma clásica de F invertida, generalmente a un lado de la placa de circuito donde se ha eliminado el plano de tierra de debajo de la antena. Sin embargo, otro enfoque es una antena de parche modificada , la antena de parche en cortocircuito . En este enfoque, un borde del parche, o algún punto intermedio, se conecta a tierra con pines o vías de conexión a tierra a través del plano de tierra. Esto funciona con el mismo principio que una F invertida; vista de lado, se puede ver la forma de F, es solo que el elemento de antena es muy ancho en el plano horizontal. [6] La antena de parche en cortocircuito tiene un ancho de banda más amplio que el tipo de línea delgada debido al mayor área de radiación. [7] Al igual que el tipo de línea delgada, la antena de parche en cortocircuito se puede imprimir en la misma placa de circuito impreso que el resto del circuito. Sin embargo, comúnmente se imprimen en su propia placa o en un dieléctrico fijado a la placa principal. Esto se hace para que la antena, que puede suspenderse y estar efectivamente en el dieléctrico del aire, esté a una distancia mayor del plano de tierra de lo que estaría de otra manera, o el dieléctrico utilizado sea un material más adecuado para el rendimiento de RF . [8]
Muchos autores (por ejemplo, Sánchez-Hernández [9] ) reservan el término PIFA para las antenas de parche cortocircuitadas en las que el elemento de antena es ancho con el plano de tierra debajo. Las antenas de tipo F invertida de línea fina con el plano de tierra a un lado, como A y B en el diagrama, se denominan simplemente IFA, incluso si están en formato plano. Un autor puede incluso llamar a una IFA de este tipo una antena F invertida impresa , pero aún así reservar PIFA para el tipo de parche cortocircuitado (por ejemplo, Hall y Wang [10] ).
Una configuración común para una antena de parche en cortocircuito es colocar el pin de cortocircuito lo más cerca posible de una esquina con el pin de alimentación relativamente cerca del pin de cortocircuito. En esta configuración, la frecuencia de resonancia está dada aproximadamente por,
Esta fórmula sólo es válida si la antena no se ve afectada por dieléctricos cercanos, como la carcasa del dispositivo. [11]
Otra variación que puede encontrarse es la antena de F invertida en forma de meandro (MIFA). Cuando no hay suficiente espacio en la placa para extender una antena hasta la longitud total requerida, se puede hacer un meandro de la antena para reducir su altura y conservar su longitud eléctrica diseñada. [12] Esto se puede comparar con la espiral de una antena como la que se encuentra en la antena de patito de goma . [13]
Las antenas F invertidas tienen anchos de banda estrechos. Se puede lograr un ancho de banda más amplio alargando la antena, lo que aumenta su resistencia a la radiación . Otra solución es colocar dos antenas muy próximas entre sí. Esto funciona porque los resonadores acoplados tienen un ancho de banda mayor que el de cada resonador por separado. La mayoría de las técnicas para producir antenas multibanda también son eficaces para ampliar el ancho de banda. [14]
La necesidad de antenas multibanda surge con dispositivos móviles que necesitan moverse entre países y redes donde las bandas de frecuencia utilizadas a menudo pueden ser diferentes. Quizás el diseño conceptualmente más simple, reportado por primera vez en 1997, [16] es anidar dos antenas de parche PIFA una dentro de la otra. Otra técnica es insertar una o más líneas de derivación en el parche, lo que tiene el efecto de resonadores acoplados que amplían la banda. Otras técnicas se basan en la generación de múltiples modos , lo que hace que el diseño sea más compacto. Ejemplos de esto son el patrón de ranura C, que es un patrón similar al filtro interdigital , y el patrón de meandros apretados que se muestran como, respectivamente, C y D en el diagrama. [17]
Las antenas F invertidas se utilizan ampliamente en dispositivos inalámbricos portátiles compactos donde el espacio es limitado. Esto incluye teléfonos móviles y tabletas que utilizan transmisiones inalámbricas como GSM , Bluetooth y Wi-Fi . [18] La antena F invertida plana es la antena interna más utilizada en los diseños de teléfonos móviles. [19]
Estas antenas también son útiles para la telemática de vehículos . A los fabricantes de vehículos les gusta utilizar antenas que sigan los contornos del vehículo por razones de estilo y aerodinámicas. Las PIFA multibanda se pueden utilizar para combinar las señales de antena para teléfonos móviles, navegación por satélite y radio de coche . [20]
Estas antenas se han utilizado para aplicaciones de telemetría en campos de pruebas militares, incluidos aquellos que respaldan los estándares del Inter-Range Instrumentation Group . [21]
Se ha propuesto un PIFA de banda dual en forma de R para su uso en vehículos militares. Las bandas que se cubrirán son 225 MHz y 450 MHz. Estas frecuencias están en la misma proporción que las bandas GSM de telefonía móvil a 900 MHz y 1,8 GHz, por lo que el diseño podría utilizarse también para esta aplicación si se redujeran las dimensiones para adecuarse a ellas. [22]
