Что такое внутренняя антенна?

Внутренняя антенна — это ключевой компонент, предназначенный для миниатюрных и портативных электронных устройств (таких как смартфоны, ноутбуки и датчики IoT). Её основные характеристики — компактные размеры и незаметность внутри устройства, при этом она обеспечивает стабильную передачу и приём сигнала в очень ограниченном пространстве. Ниже приведено подробное описание распространённых типов, ключевых характеристик, проблем проектирования и сценариев применения.

I. Распространенные типы внутренних антенн и их характеристики

Внутренние антенны бывают разных типов. Выбор зависит от доступного пространства устройства, рабочей частоты и требований к производительности. Основные типы и их характеристики следующие:

1. Антенна PIFA (планарная инвертированная F-антенна)

Происхождение: Разработанная на основе перевернутой F-образной антенны, PIFA в настоящее время является наиболее распространенным типом внутренних антенн в мобильных устройствах, таких как смартфоны и планшеты.
Ключевые преимущества:

Компактный размер, подходит для ограниченных внутренних пространств.

Относительно высокое усиление (обычно 2–5 дБи)

l Низкопрофильная конструкция (тонкая структура, не влияющая на внешний вид устройства)

Относительно широкая полоса пропускания, способная охватывать несколько частотных диапазонов (например, 3G/4G LTE/5G sub-6 GHz, Bluetooth).

Принцип работы: Путем регулирования формы излучающего элемента (подобного букве «F») и его расстояния от заземляющей плоскости оптимизируется распределение тока для достижения эффективного преобразования энергии в компактном форм-факторе, минимизируя затухание сигнала, вызванное ограничениями по пространству.

2. Микрополосковая патч-антенна

Конструкция: Состоит из диэлектрической подложки (например, керамики или FR4), металлической пластины (излучающего элемента) и заземляющей плоскости. Пластина обычно имеет прямоугольную, круглую или другую правильную форму.
Ключевые преимущества:

Простая структура

Простое массовое производство с использованием технологий производства печатных плат.

Легкий, подходит для устройств со строгими требованиями к весу и качеству изготовления (например, ноутбуки, умные часы).

Ограничения:

Узкая полоса пропускания

Расширение полосы пропускания часто требует специальных конструкций (например, щелевая загрузка, многослойные патчи) для поддержки многодиапазонной связи.

3. Антенна IFA (перевернутая L-образная антенна)

Конструкция: Устройство имеет форму перевернутой буквы «L» и состоит из вертикальной секции (точки питания) и горизонтальной секции (излучающего элемента), при этом для образования излучающей петли используется внутренняя заземляющая плоскость устройства.
Ключевые преимущества:

Простой дизайн

Низкая стоимость

Подходит для устройств с крайне ограниченным пространством и скромными требованиями к производительности (например, некоторые датчики IoT, небольшие пульты дистанционного управления).

Ограничения:

l Более низкое усиление (обычно 1–3 дБи)

Узкая полоса пропускания

l Подвержен помехам от внутренних металлических компонентов, что приводит к несколько сниженной стабильности сигнала по сравнению с антеннами PIFA.

4. Керамическая антенна

Классификация: Включает в себя блочные керамические антенны и многослойные керамические антенны (LTCC – низкотемпературная совместно обожженная керамика).

l Блоки керамических антенн: Из одного керамического блока производится спекание, на поверхность которого наносятся металлические узоры в виде излучения.

l Многослойные керамические антенны: Изготовлено с использованием технологии LTCC, при которой несколько керамических слоев ламинируются и обжигаются совместно, а металлические проводники наносятся методом печати на каждый диэлектрический слой.

Ключевые преимущества:

Чрезвычайно малый размер (до миллиметрового уровня)

Высокая стабильность

Высокая помехоустойчивость

Области применения:
Обычно используются в качестве специализированных антенн для узкополосной связи, такой как GPS и Bluetooth. Благодаря своим компактным размерам, они могут быть практически «невидимыми» при интеграции в такие устройства, как умные носимые устройства и миниатюрные модули IoT.

5. Щелевая антенна

Конструкция: Излучение достигается путем прорезания щелей (например, прямоугольных или круглых) в металлической заземляющей плоскости. Изменение электрического поля вокруг щели создает излучение, которое возбуждается через питающую сеть.
Ключевые преимущества:

Может быть интегрирован с металлическими корпусами устройств (например, рамками смартфонов).

Нет необходимости в дополнительном отдельном пространстве.

l Улучшает целостность внешнего дизайна

Относительно стабильные диаграммы направленности излучения

Ограничения:

Высокая сложность проектирования

Для предотвращения электромагнитных помех другим внутренним компонентам требуется точный контроль размера, формы и положения паза.

II. Основные характеристики внутренних антенн

1. Размер и интеграция

Встроенные антенны значительно меньше внешних и могут быть интегрированы непосредственно в устройства (например, вдоль края печатной платы смартфона или в рамку дисплея ноутбука). Они не ухудшают портативность и эстетику и соответствуют тенденции в потребительской электронике к более тонким, легким и компактным конструкциям.

2. Компромиссы в производительности

Из-за ограниченного пространства использование внутренних антенн обычно сопряжено с компромиссами в производительности. По сравнению с внешними антеннами, они, как правило, обеспечивают более низкое усиление (в основном 2–5 дБи, тогда как внешние антенны могут достигать 5–10 дБи), более узкую полосу пропускания и большую восприимчивость к помехам от внутренних металлических компонентов (например, батарей, микросхем) и источников электромагнитных помех (например, процессоров). Поэтому стабильность сигнала необходимо улучшать путем тщательной оптимизации.

3. Многодиапазонная совместимость

Современные внутренние антенны должны поддерживать несколько частотных диапазонов (например, смартфоны должны обеспечивать работу в сетях 2G/3G/4G/5G, Wi-Fi, GPS и т. д.). Это достигается за счет таких методов, как объединение нескольких излучающих элементов и методов расширения полосы пропускания (например, за счет паразитных элементов, широкополосных диэлектрических подложек), что позволяет реализовать функциональность «многодиапазонной антенны» и уменьшить количество антенн для экономии внутреннего пространства.

III. Проблемы проектирования внутренних антенн

1. Ограничения по пространству

Пространство, доступное для размещения антенны внутри устройств, крайне ограничено (часто менее 10 см² в смартфонах). Разработчикам необходимо сбалансировать эффективность излучения, полосу пропускания и коэффициент усиления при очень малых размерах. Традиционные методы уменьшения размеров (например, сокращение длины антенны) обычно снижают коэффициент усиления и полосу пропускания, поэтому необходимы методы компенсации, такие как емкостная верхняя нагрузка и оптимизированная конструкция заземляющей плоскости. Например, в антеннах PIFA используется верхняя емкостная нагрузка для частичной компенсации физической длины и улучшения согласования импеданса.

2. Электромагнитная интерференция

Многочисленные электронные компоненты внутри устройств (например, процессоры, батареи, модули камер) генерируют электромагнитные помехи во время работы. Эти помехи могут искажать распределение тока во внутренних антеннах, снижая эффективность излучения и увеличивая шум сигнала. Методы снижения помех включают зонирование изоляции (например, размещение металлического экрана между антеннами и источниками помех) и оптимизацию заземления для повышения экранирующей способности заземляющей плоскости.

3. Материалы и производственные процессы

Материалы для антенн должны обеспечивать баланс между проводимостью и миниатюризацией. Медь с никелевым покрытием широко используется благодаря высокой проводимости и коррозионной стойкости, что гарантирует долговременную эффективность излучения. Следует избегать материалов с низкой проводимостью (таких как высокоуглеродистая сталь), поскольку они склонны к ржавению и повышению сопротивления, что приводит к быстрому снижению эффективности. Кроме того, требуется высокая точность изготовления — например, допуски на размеры микрополосковых патч-антенн часто должны контролироваться в пределах 0.1 мм, чтобы предотвратить сдвиги частоты и сбои в работе.

IV.Типичные сценарии применения

Встроенные антенны широко используются в электронных устройствах, требующих скрытого размещения и высокой портативности. Ключевые области применения включают:

l Мобильные устройства: Смартфоны, планшеты и ноутбуки, в основном использующие PIFA-антенны и микрополосковые патч-антенны для поддержки многодиапазонной связи (например, PIFA-антенны смартфонов, охватывающие диапазон 5G sub-6 GHz, Wi-Fi 6 и GPS).

l Умные носимые устройства: В умных часах и фитнес-браслетах для Bluetooth и GPS обычно используются керамические антенны благодаря их компактным размерам и высокой устойчивости к помехам.

l Устройства Интернета вещей: Датчики Интернета вещей (например, датчики температуры и влажности, умные замки) часто используют IFA-антенны или щелевые антенны для обеспечения маломощной беспроводной связи на малых расстояниях в крайне ограниченных пространствах.

l Бытовая электроника: Умные колонки и беспроводные наушники, как правило, используют микрополосковые патч-антенны или небольшие PIFA-антенны для поддержки подключения по Wi-Fi и Bluetooth, сохраняя при этом лаконичный и минималистичный внешний вид.