Una antena F invertida es un tipo de antena utilizada en comunicaciones inalámbricas , principalmente en frecuencias UHF y microondas . Consiste en una antena monopolo paralela a un plano de tierra y conectada a tierra en un extremo. La antena se alimenta desde un punto intermedio a una distancia del extremo conectado a tierra. El diseño tiene dos ventajas sobre un monopolo simple: la antena es más corta y compacta, lo que permite guardarla dentro de la carcasa del dispositivo móvil, y el diseñador puede adaptar su impedancia al circuito de alimentación, lo que le permite irradiar energía. eficientemente, sin necesidad de componentes extraños.
La antena F invertida se concibió por primera vez en la década de 1950 como una antena de alambre curvado. Sin embargo, su uso más extendido es como antena plana F invertida ( PIFA ) en dispositivos inalámbricos móviles por sus propiedades de ahorro de espacio. Los PIFA se pueden imprimir utilizando el formato microstrip , una tecnología ampliamente utilizada que permite fabricar componentes de RF impresos como parte de la misma placa de circuito impreso utilizada 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 monopolo 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 cable tipo F se inventó en la década de 1940. [1] En esta antena, la alimentación está conectada a un punto intermedio a lo largo 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 porción 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 la antena.
La antena en L invertida es una antena monopolo inclinada para correr paralela al plano de tierra. Tiene la ventaja de ser compacto y de una longitud más corta que el monopolo, pero la desventaja de una impedancia muy baja, generalmente de solo unos pocos ohmios si se alimenta en la base, mientras que un monopolo alimentado por la base tiene una impedancia de 36,5 Ω. [2] La antena F invertida combina las ventajas de ambas antenas; tiene la compacidad de la L invertida y la capacidad de igualar la impedancia del circuito de alimentación (a menudo 50 Ω en un circuito impreso) como el tipo F. [3]
La antena 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 cable y estaba destinada a ser utilizada en misiles para telemetría . [5]
Se utiliza una antena plana F invertida (PIFA) para circuitos inalámbricos implementados en microstrip . El formato microstrip es el formato elegido por la electrónica de RF moderna . Se puede utilizar para implementar los componentes de RF de elementos distribuidos necesarios , como filtros , y al mismo tiempo es económico porque se utilizan los mismos métodos de producción en masa que para las placas de circuito impreso .
Se puede implementar una antena F invertida impresa en la forma clásica de F invertida, generalmente en un lado de la placa de circuito donde se ha eliminado el plano de tierra 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 clavijas o vías de conexión a tierra hasta el plano de tierra. Esto funciona según el mismo principio que una F invertida; Visto de lado se puede ver la forma de F, sólo 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 a la 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, normalmente están impresos en su propia placa o en un dieléctrico fijado a la placa principal. Esto se hace para que la antena, que pueda suspenderse y estar efectivamente en dieléctrico de aire, esté a una distancia mayor del plano de tierra de lo que estaría de otro modo, o que el dieléctrico utilizado sea un material más adecuado para el rendimiento de RF . [8]
El término PIFA está reservado por muchos autores (por ejemplo, Sánchez-Hernández [9] ) para la antena de parche en cortocircuito donde el elemento de la antena es ancho con el plano de tierra debajo. El tipo de línea delgada de antenas F invertida con el plano de tierra a un lado como A y B en el diagrama se llaman 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 reservar PIFA para el tipo de parche en cortocircuito (por ejemplo, Hall y Wang. [10] ) .
Una configuración común para una antena de parche en cortocircuito es colocar la clavija de cortocircuito lo más cerca posible de una esquina con la clavija de alimentación relativamente cerca de la clavija de cortocircuito. En esta configuración, la frecuencia de resonancia viene 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 se puede encontrar es la antena F invertida serpenteante (MIFA). Cuando no hay suficiente espacio en la placa para extender una antena a toda la longitud requerida, la antena puede curvarse para reducir su altura manteniendo su longitud eléctrica diseñada. [12] Esto se puede comparar con la espiral de una antena como la que se encuentra en la antena del patito de goma . [13]
Las antenas F invertida 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 juntas. Esto funciona porque los resonadores acoplados tienen un ancho de banda más amplio que el ancho de banda de cualquiera de los resonadores por sí solo. 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 itinerancia 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 consiste en insertar una o más líneas derivadas en el parche, lo que tiene el efecto de que los resonadores acoplados ensanchen la banda. Otras técnicas se basan en la generación de múltiples modos , lo que genera un diseño más compacto. Ejemplos de esto son el patrón de ranura C, que es un patrón similar al filtro interdigital , y el patrón muy serpenteante que se muestra como C y D, respectivamente, en el diagrama. [17]
Las antenas F invertida se utilizan ampliamente en dispositivos inalámbricos portátiles compactos donde el espacio es escaso. Esto incluye teléfonos móviles y tabletas que utilizan transmisiones inalámbricas como GSM , Bluetooth y Wi-Fi . [18] La antena plana F invertida 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 siguen los contornos del vehículo por motivos de estilo y aerodinámica. Los PIFA multibanda se pueden utilizar para combinar las transmisiones 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 admiten los estándares del Inter-Range Instrumentation Group . [21]
Se ha propuesto un PIFA de doble banda en forma de R para su uso en vehículos militares. Las bandas a cubrir son 225 MHz y 450 MHz. Estas frecuencias están en la misma proporción que las bandas GSM de los teléfonos móviles a 900 MHz y 1,8 GHz, por lo que el diseño también podría usarse para esta aplicación si las dimensiones se redujeran para adaptarlas. [22]
