Antena en forma de F invertida

Una antena en F invertida es un tipo de antena utilizada en comunicaciones inalámbricas , principalmente en frecuencias UHF y de microondas . Consiste en una antena monopolo paralela a un plano de tierra, conectada a tierra en uno de sus extremos. La antena se alimenta desde un punto intermedio situado a cierta distancia del extremo conectado a tierra. Este diseño presenta dos ventajas sobre un monopolo simple: la antena es más corta y compacta, lo que permite integrarla en la carcasa del dispositivo móvil, y el diseñador puede adaptar su impedancia al circuito de alimentación, lo que permite una radiación de potencia eficiente sin necesidad de componentes de adaptación adicionales.

La antena en forma de F invertida se concibió por primera vez en la década de 1950 como una antena de hilo doblado. Sin embargo, su uso más extendido es como antena plana en forma de F invertida ( PIFA ) en dispositivos inalámbricos móviles debido a su tamaño compacto. Las PIFA se pueden imprimir utilizando el formato de microcinta , una tecnología ampliamente utilizada que permite fabricar componentes de radiofrecuencia 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 la antena en 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 hilo tipo F se inventó en la década de 1940. ^{[ 1 ]} En esta antena, la alimentación se conecta 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 se conecta 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 al extremo conectado a tierra. La porción de la antena entre el punto de alimentación y el plano de tierra se comporta esencialmente como un stub de cortocircuito . Por lo tanto, el diseñador puede adaptar la antena a la impedancia de la línea de alimentación ajustando la posición del punto de alimentación a lo largo del elemento de la antena.

La antena en L invertida es una antena monopolo doblada para que quede paralela al plano de tierra. Tiene la ventaja de ser compacta y tener una longitud menor que la${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\lambda }$monopolo, pero la desventaja de una impedancia muy baja, típicamente solo unos pocos ohmios si se alimenta en la base, mientras que una alimentada en la base${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\lambda }$El monopolo tiene una impedancia de 36,5  Ω  . ^{[ 2 ]} La antena en F invertida combina las ventajas de ambas antenas; tiene la compacidad de la antena en 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 tipo F. ^{[ 3 ]}

La antena en forma de F invertida fue propuesta por primera vez en 1958 por el grupo de Harvard liderado por Ronold WP King . ^{[ 4 ]} La antena de King era de alambre y estaba destinada a ser utilizada en misiles para telemetría . ^{[ 5 ]}

Una antena planar en forma de F invertida (PIFA) se utiliza en circuitos inalámbricos implementados en microcinta . El formato de microcinta es el formato preferido para la electrónica de radiofrecuencia moderna . Permite implementar componentes de radiofrecuencia de elementos distribuidos, como filtros , y a la vez resulta económico, ya que se utilizan los mismos métodos de producción en masa que para las placas de circuitos impresos .

Una antena impresa en forma de F invertida puede implementarse con la forma clásica de F invertida, generalmente en un lado de la placa de circuito impreso donde se ha retirado el plano de tierra de debajo de la antena. Sin embargo, otro enfoque es una antena de parche modificada , la antena de parche cortocircuitada . En este enfoque, un borde del parche, o algún punto intermedio, se conecta a tierra con pines de conexión a tierra o vías que atraviesan el plano de tierra. Esto funciona con el mismo principio que una F invertida; vista de lado, se puede ver la forma de F, solo que el elemento de la antena es mucho más ancho en el plano horizontal. ^{[ 6 ]} La antena de parche cortocircuitada tiene un ancho de banda mayor 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 cortocircuitada puede imprimirse 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 estar suspendida y estar efectivamente en un dieléctrico de aire, esté a una mayor distancia del plano de tierra de lo que estaría de otro modo, o para que el dieléctrico utilizado sea un material más adecuado para el rendimiento de RF . ^{[ 8 ]}

El término PIFA es reservado por muchos autores (p. ej., Sánchez-Hernández ^{[ 9 ]} ) para la antena de parche cortocircuitada, donde el elemento de antena es ancho con el plano de tierra debajo. Las antenas de línea delgada en forma de F invertida con el plano de tierra a un lado, como A y B en el diagrama, se denominan simplemente IFA, incluso si son de formato planar. Un autor puede incluso llamar a una IFA de este tipo antena en forma de F invertida impresa , pero aún así reservar PIFA para el tipo de parche cortocircuitado (p. ej., Hall y Wang ^{[ 10 ]} ).

Una configuración común para una antena de parche cortocircuitada consiste en 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 viene dada aproximadamente por:

${\displaystyle f_{0}={\frac {c}{4(w+b){\sqrt {\varepsilon }}_{\mathrm {r} }}}}$

dónde

f ₀ es la frecuencia de resonancia

w y b son el ancho y la anchura del parche.

c es la velocidad de la luz

ε _r es la constante dieléctrica del sustrato.

Esta fórmula solo es válida si la antena no se ve afectada por dieléctricos cercanos, como la carcasa del dispositivo. ^{[ 11 ]}

Otra variante que puede encontrarse es la antena en forma de F invertida serpenteante (MIFA). Cuando no hay suficiente espacio en la placa para extender una antena a la longitud requerida, se puede serpentear para reducir su altura manteniendo su longitud eléctrica de diseño. ^{[ 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 en forma de F invertida tienen anchos de banda estrechos. Se puede lograr un ancho de banda mayor alargando la antena, lo que aumenta su resistencia a la radiación . Otra solución es colocar dos antenas muy cerca una de la otra. Esto funciona porque los resonadores acoplados tienen un ancho de banda mayor que el de cualquiera de los resonadores por separado. La mayoría de las técnicas para producir antenas multibanda también son efectivas para ampliar el ancho de banda. ^{[ 14 ]}

La necesidad de antenas multibanda surge con los dispositivos móviles que necesitan itinerar entre países y redes donde las bandas de frecuencia utilizadas suelen ser diferentes. Quizás el diseño conceptualmente más simple, reportado por primera vez en 1997, ^{[ 16 ]} consiste en anidar dos antenas de parche PIFA una dentro de la otra. Otra técnica consiste en insertar una o más líneas de derivación en el parche, lo que produce el efecto de resonadores acoplados que amplían la banda. Otras técnicas se basan en la generación de múltiples modos , lo que permite un diseño más compacto. Ejemplos de esto son el patrón de ranura en C, que es un patrón similar al filtro interdigital , y el patrón de meandro ajustado que se muestra, respectivamente, como C y D en el diagrama. ^{[ 17 ]}

Las antenas en forma de F invertida 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 plana en forma de F invertida es la antena interna más utilizada en el diseño de teléfonos móviles. ^{[ 19 ]}

Estas antenas también son útiles para la telemática vehicular . A los fabricantes de vehículos les gusta usar antenas que se adaptan a los contornos del vehículo por razones de estilo y aerodinámicas. Las PIFA multibanda se pueden usar para combinar las señales de antena para telefonía móvil, navegación por satélite y radio del automóvil . ^{[ 20 ]}

Estas antenas se han utilizado para aplicaciones de telemetría en campos de pruebas militares, incluidos aquellos que cumplen con los estándares del Grupo de Instrumentación Inter-Campo . ^{[ 21 ]}

Se ha propuesto una antena PIFA de doble banda en forma de R para su uso en vehículos militares. Las bandas que se cubrirían son 225  MHz y 450  MHz. Estas frecuencias guardan la misma proporción que las bandas GSM de telefonía móvil de 900  MHz y 1,8  GHz, por lo que el diseño también podría utilizarse para esta aplicación si se redujeran las dimensiones adecuadamente. ^{[ 22 ]}

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