Внутренние антенны носимых устройств (IFA антенна)

Огромное количество современных цифровых девайсов, использующих беспроводные технологии, такие как смартфоны, планшеты, ноутбуки, всевозможные устройства «умного дома» и т.д., имеют в своем составе хотя бы одну встроенную внутреннюю антенну. У некоторых радиолюбителей иногда возникает потребность в ремонте и восстановлении подобной антенны. А у слабо разбирающихся в радиотехнике анонимов ходят легенды о супер эффективности и секретности подобных «цифровых» антенн. Ведь по ним довольно мало информации в этих ваших интернетах. Давайте устраним этот пробел…

Первые мобильники были оснащены внешними выдвижными телескопическими антеннами, затем их укоротили, сделали более компактными, а потом и вовсе убрали внутрь корпуса. Сделать это позволил отказ от штыревых антенн и применение конструкции носящей название «Inverted F-antenna» (IFA), которая и по сей день является основой большинства внутренних антенн. Проволочный вариант конструкции был изобретен еще в 40-х 50-х годах прошлого столетия, но широко использоваться IFA стала с появлением носимых устройств как антенна на печатной плате благодаря следующим своим достоинствам, — при своей компактности IFA достаточно широкополосна и имеет КПД до 65%, а это очень высокая цифра для малогабаритных антенн. Антенна представляет из себя печатный проводник длиной λ/4, расположенный над большой земляной шиной. Несмотря на то, что на первый взгляд она выглядит просто как свернутый четверть-волновой монополь, на самом деле более правильно ее рассматривать как щелевую антенну. Из теории известно, что узкая щель длиною λ/2 в бесконечном экране эквивалентна полуволновому диполю. Для полного соответствия с электрическим диполем такую излучающую щель в теории называют магнитным диполем и вводят абстрактное понятие «магнитного тока». Магнитный диполь — это своего рода зеркальное отражение электрического диполя, электрическое и магнитное поля как бы меняются местами. Отметим только, что распределение тока и напряжения в таком «магнитном диполе» тоже меняются местами. Максимум тока находится на концах щели, а максимум напряжения — в центре. На центр также приходится и максимум входного импеданса антенны. Кроме того, такая горизонтальная щель излучает волну вертикальной поляризации. Поскольку ток в центре щели равен нулю, ее можно смело раполовинить и половинка превратится в нашу IFA. Другими словами IFA — это своего рода щелевой монополь. На некотором расстоянии от короткозамкнутого конца IFA находится точка в которой реактивная часть входного импеданса равна нулю, а активную часть, путем подбора ширины щели, можно сделать близкой к 50 Ом. Здесь и подключается фидерная микрополосковая линия. Первые «кнопкофоны» обходились одной такой антенной на GSM диапазон. Для еще большей компактности горизонтальную полоску просто сворачивали в форме меандра.

Чтобы не запутаться в абстракциях такую щель можно описать в привычных понятиях токов и напряжений, подробнее у И.Гончаренко. Поскольку «бесконечный экран», как вам скажет любой практик, присутствует только в воспаленном мозгу красноглазого книжника-теоретика, правильная модель должна учитывать реальные размеры земляного полигона. Поэтому каждая такая внутренняя антенна уникальна для каждого устройства и универсальной конструкции просто нет в природе. Кроме того, поляризация излучения, ввиду конечных размеров мобильного устройства, не однозначна, а имеет как вертикальную, так и горизонтальную составляющую

Продвинутый вариант IFA, под названием PIFA, представляет из себя симбиоз IFA и планарной патч-антенны или, другими словами, четвертьволновый патч. Этот вариант дает конструкторам большую свободу действий для разработки более сложных антенн, необходимость в которых появилась с появлением смартфонов. Современные смартфоны имеют в своем составе несколько антенн. Кроме того, что появилась необходимость в дополнительных антеннах для 3G, LTE, Wi-Fi, Bluetooth, GPS, с появлением технологии MIMO таких антенн нужно уже по паре. В последнее время добавился еще NFC. Для всего этого зоопарка антенн просто не хватит места в корпусе смартфона, поэтому большинство из них сделаны многодиапазонными. Подробнее о том как и где размещены антенны внутри современных смартфонов можно прочитать здесь. Топология антенн значительно усложнилась, однако в основе большинства из них лежит все та же конструкция IFA/PIFA. Усложнение топологии связано с проблемами создания компактных многодиапазонных конструкций. Это вовсе никакие не «цифровые» высокоэффективные секретные антенны, как полагают некоторые анонимы. «Секретность» связана с уникальностью такой антенны для каждого конкретного устройства, а эффективность на отдельном диапазоне у них может быть даже ниже, чем у простой штыревой антенны. Об этом свидетельствует тот факт, что местами старые кнопкофоны «ловят» даже лучше современных смартфонов.

Вероятность необходимости ремонта или замены антенны у смартфона крайне низка. Более того, повторить ее в любительских условиях практически невозможно. А вот в ноутбуках (или планшетах) часто присутствует всего одна антенна WiFi/Bluetooth. Некоторые мастера при разборке аппарата могут просто порвать шлейфы и сломать такую антенну. Для таких случаев, по просьбам трудящихся, мы предлагаем простую внутреннюю малогабаритную антенну WiFi/Bluetooth. Антенна рассчитана с учетом влияния диэлектрика корпуса, но не учитывает влияние остальных частей конструкции аппарата. При наличии свободного пространства ее можно разместить в любом свободном месте корпуса, соединив с соответствующим модулем отрезком тонкого коаксиала. Антенна вырезается из тонкой металлической фольги и крепится к пластмассовому корпусу посредством синей изоленты клейкой ленты. Располагать ее надо по возможности вертикально на свободных участках корпуса, подальше от электроники. Антенна представляет из себя суррогат из обычного диполя и J-антенны. Ну а что делать? На безрыбье и рак — рыба. Поскольку необходимость в частом ремонте такой антенны крайне низка, то проще купить готовую или, если вас не смущает нарушение внешнего вида аппарата, пристроить к нему наружную антенну.

Ссылки по теме:

• Inverted-F Antenna (IFA) - antenna-theory.com;
• Что вы знаете про антенны в вашем смартфоне? - какие в ваших смартфонах установлены антенны, какую конструкцию они имеют и как работают;
• "60 лет теории электрически малых антенн. Некоторые итоги" - В.Слюсар. 2006 г.;
• Моделирование меандровой инвертированной F-антенны – это просто - Habr;
• "Одна на всех" - (об IFA антенне) Habr;