Из школьного курса физики многие могут помнить, что длина волны влияет на габариты антенны. Наиболее эффективны антенны с размерами от ¼ до ½ длины волны (четвертьволновый и полуволновый вибраторы).
Вопрос. Если смартфон может работать на частоте 900 МГц, то где-то у него внутри должна находиться антенна соизмеримая длине волны в 33,3 см. ОК, пусть даже это четверть - это все равно порядка 8 сантиметров.
А теперь вспомним, что на борту смартфона целая куча протоколов радиосвязи: Wi-Fi (2,4, 5 и 6 ГГц), Bluetooth (2,4 ГГц), сотовая связь (целый букет частот от 900 МГц до 4+ ГГц), NFC (13,56 МГц). Куда там все эти антенны запихивают? Давайте разберемся.
Предупреждение. Любая статья про антенны неизбежно скатывается во мрак терминов импеданс/КСВ/добротность. В результате, читатель без диплома радиоинженера, который пришел просто разобраться, отваливается уже на втором абзаце.
В этой статье я постараюсь избежать подобного подхода. Постараюсь дать информацию максимально понятно, а если и буду вводить какие неизвестные широкому кругу величины, то буду подробно их объяснять простыми словами. Если у вас, как у меня, есть диплом радиоинженера, то вы вряд ли узнаете здесь что-то новое. Если же вас давно мучал вопрос из заголовка, но объяснения пугали своей специфичностью - добро пожаловать.
Почему вообще есть связь с длиной волны?
Начнем с главного. Почему вообще есть связь между длиной волны и длиной антенны? Потому что физика.
У волны есть длина - то есть сколько метров занимает один «период» колебания в пространстве. Для электромагнитных волн в вакууме работает связь:
, где c - скорость света, f - частота, λ (лямбда) - длина волны.
То есть чем больше частота, тем меньше длина волны и наоборот.
В типовом случае антенна - это проводник, в котором на рабочих частотах возникают характерные распределения тока и напряжения. И вот тут важно. Антенна - это не только проводник, это еще “объем” в котором поля должны нормально формироваться и выходить наружу.
Здесь мы потихоньку будем вводить необходимые определения. Первым станет резонанс. Он появляется в том числе тогда, когда есть согласование по размерам. Смысл резонанса в том, что на конкретной частоте антенна излучает или принимает с наименьшими потерями. Вне резонанса часть энергии уйдет в потери или вернется в схему (что плохо).
Можно ли нарушить правило, что размер антенны соизмерим с длиной волны? Можно. И его регулярно нарушают, ниже мы в этом убедимся. Но за это придется чем-то заплатить. В зависимости от того, какой подход мы используем, физика взимает с нас соответствующий “налог”.
Второе важное определение, которое нам понадобится - это Q, она же добротность. Добротность показывает в каком диапазоне частот может работать антенна без существенных потерь.
В общем случае нам было бы круто иметь антенну с невысокой добротностью. Так как она захватит максимально широкий спектр частот и нам не придется лишний раз мудрить.
Но Q - это первая величина, которая страдает при наших махинациях с размером излучателя. Большая часть хитростей вызывают рост Q и, соответственно, снижается диапазон частот в котором может работать антенна. Дада, высокая добротность - это не так, чтобы хорошо.
На самом деле, это и не всегда плохо. Есть много случаев, когда нам нужно работать с конкретной частотой спектра. Тут высокая добротность даже сыграет нам в плюс. Но это не универсальная история, да.
Когда антенна существенно меньше длины волны, ее называют электрически малой. Бесконечно снижать размеры нельзя, есть предел Чу-Харрингтона. Он показывает нижнюю границу для добротности, ниже которой работать уже не будет смысла. Но в рамках разумного пошаманить можно.
Радиохитрость №1
ОК, антенна у нас должна иметь определенную длину. А должны ли мы ее выкладывать по прямой или можем свернуть, например, в спираль?
Можем. Помним, про налог от физики, но можем.
Антенну можно выложить на плате, например, змейкой (это еще называется меандр). Тогда она займет меньше места по длине, но останется нужного размера.
А можно скрутить в спираль, рамку или петлю. Тоже будет работать.
Налог тут будет такой: чем сильнее “скомкали” антенну, тем больше получаем рост потерь и нестабильность. Например, девайс может прекрасно работать, но стоит поднести к нему руку, как связь резко проседает.
Правила, хитрости и ограничения такой миниатюризации - вечная тема радиофорумов.
Радиохитрость №2
Если наша антенна слишком короткая, у нее на входе появляется лишняя реактивность. Не пугайтесь. Можно сказать проще: в простейшем случае у антенны появляется лишняя емкость, которая мешает работе. Такую емкость реально компенсировать.
Это делают либо нагрузочной катушкой. В этом случае катушка добавит нам потерь и сузит рабочую частоту, но выступит тем самым компенсатором.
Либо емкостной нагрузкой (шапкой на конце). Заплатим примерно тем же самым.
Благодаря этим ухищрениям мы компенсируем физические перекосы нашей крошечной антенны и принципиально можем работать.
Радиохитрость №3
Еще один инженерный ход. Если волна в материале распространяется медленнее, то эффективная длина волны уменьшается. А значит, резонанс можно получить в меньшей геометрии - используя подложки с более высокой диэлектрической проницаемостью. Это один из типовых приемов уменьшения размера антенн. Минусы все те же: потери в материале, сужение полосы, сильная зависимость от конкретной конструкции и применимость в конкретной задаче.
Согласовано!
Мы потихоньку приближаемся к тем хитростям, что реально используют в смартфонах. Но сделаем паузу для важного отступления.
Есть еще одна вещь, которую вам надо знать про радио. И которая существенно усложняет жизнь как нам, так и миллионам бедолаг, что радиосвязью занимаются.
Антенна, путь от антенны до передатчика (тракт) и сам передатчик имеют такую величину, как комплексное сопротивление. Это называется импеданс. Для нормальной работы системы, импеданс внутри нее должен быть согласован. Если очень грубо, то представьте себе водопроводную трубу в которой все время меняется диаметр. В результате поток воды под большим давлением, то разлетается при росте диаметра, то “застревает” в узком месте. Это не значит, что вода не будет течь, будет. Вопрос насколько эффективно и сколько дополнительных сил нужно будет приложить на ее прокачку.
В радио все тоже самое. Неоднородный тракт вызывает потери мощности. И ладно бы просто потери. Часть мощности “отстреливает” обратно в передатчик. И вот это уже может быть опасно для него. Величина несогласования, по которой мы оцениваем такой “отстрел” называется коэффициентом стоячей волны или КСВ. Это один из важнейших параметров радиопередающей системы.
В рабочей системе должны быть согласованы выходной импеданс передатчика, волновое сопротивление тракта (кабель+разъемы) и входной импеданс антенны. Типовое значение для радиосвязи - 50 Ом, для кабельного ТВ - 75 Ом. Есть еще свои значения для наушников, но это частные истории.
Почему это важно понимать? Потому что радиопередатчик - это всегда история про баланс целой кучи факторов и физических величин. Просто сделать скрутку, как при передаче электроэнергии, тут нельзя. Это действительно эквилибристика. Под каждую задачу подбирают свой баланс и приносят свои жертвы. Современные решения чаще всего комплексные и используют не одну, а несколько хитростей. Но вернемся к ним.
Радиохитрость №4
Короткозамкнутые конструкции, они же IFA и PIFA. Это то, что реально и часто используется в смартфонах.
IFA (Inverted-F Antenna) и PIFA (Planar Inverted-F Antenna) - это, по сути, способ сделать «четвертьволновый штырь», но уложить его горизонтально и соединить с корпусом телефона.
С приставкой P - это планарная, то есть выполненная плоской пластиной/дорожкой на плате или на отдельной пластиковой детали с металлизацией.
Как это работает на пальцах. Представьте металлическую «полочку» (излучающий элемент), которая идет параллельно плате. У этой «полочки» есть две важные точки: одна - где она забирает сигнал (точка питания), а рядом - где ее коротят на землю (коротящий контакт/перемычка). Земля тут - это большая проводящая часть платы и/или корпуса, то есть «вторая половина» антенны. За счет этого короткого контакта и выбранного места питания конструкция ведет себя как укороченный резонатор: токи бегают по «полочке» и через коротыш замыкаются на землю, а сама плата начинает активно участвовать в излучении.
Плюс такого подхода в телефоне: геометрию можно «гнуть» под свободные зоны, а согласование проще подстроить, двигая точку питания и меняя форму элемента. А чтобы заставить одну такую антенну работать на нескольких диапазонах, в нее добавляют дополнительные ветви или щели. Они создают несколько антенн в одной, и каждый «подхватывает» свой участок частот.
Минусы у IFA/PIFA ровно те, за которые смартфонные антенны считаются «капризными»:
Узкая полоса, если сильно ужать. Чем компактнее элемент относительно длины волны, тем выше добротность (работает хорошо в узком участке частот). Это частая плата за миниатюризацию.
Сильно зависит от того, что вокруг. IFA/PIFA почти всегда опирается на «землю» телефона (плата/рамка/корпус). Поменяли форму шасси, добавили экранчик, подвинули шлейф - и параметры уехали. А еще рядом часто появляются рука (когда берет) и голова (когда говорит) хозяина. Это тоже окружение, которое заметно меняет настройку и эффективность.
Компромисс по эффективности. В маленьком объеме часть энергии теряется (в материалах, в проводниках, в согласующей цепи). Поэтому работает, но не всегда с тем КПД, который хотелось бы в идеальном мире.
Сложнее сделать стабильно многодиапазонной. Несколько резонансов (ветви/щели) - это удобно, но они начинают влиять друг на друга. В итоге настройка превращается в игру “поджал тут - поехало там”. Классика радио эквилибристики.
Производственные разбросы. Когда все маленькое и на грани, любая мелочь - допуск по зазору, толщина пластика, качество контакта на «коротыш» - начинает заметно влиять на результат. Поэтому приходится закладывать запас и/или подстройку.
Резюме. IFA/PIFA - отличный способ запихнуть антенну в смартфон, но это антенна, которая живет не сама по себе, а в составе телефона как системы. И за это приходится платить чувствительностью к деталям и компромиссами по полосе/эффективности.
С другой стороны, мы задействовали в нашем решении даже корпус телефона. И решили проблему множественных диапазонов. Теперь на не нужна целая антенна на каждый диапазон.
Радиохитрость №5
Итак, мы превзошли сами себя, собрав удивительно сложную, удивительно нестабильную, но рабочую конструкцию. Удерживать ее в нужном положении в принципе проблематично. А ведь несчастный смартфон взаимодействует с телом владельца, постоянно меняет ориентацию и получает наводки от других радиоприборов.
Ни одна система не может стабильно вести передачу при таких вводных. К счастью, мы живем в XXI и можем даже в недорогих устройствах позволить себе такую роскошь как динамическая подстройка параметров. Устройство меняет различные параметры под текущую частоту работы и ситуацию вокруг. Без динамической подстройки будет работать ощутимо хуже.
Антенн-то сколько?
Возвращаясь к вопросу из начала статьи. Если открыть современный смартфон, там почти никогда нет «одной антенны на все»: обычно это несколько физических излучателей плюс шасси/рамка как общая “земля”, а дальше переключатели, тюнеры и фильтры заставляют эту систему работать в разных режимах.
Больше всего «антенного хозяйства» съедает сотовая связь (LTE/5G), потому что нужно закрыть низкие диапазоны (условно 800–900 МГц), средние/высокие (1.7–2.7 ГГц) и часто еще кусок 3–4+ ГГц. А современные стандарты почти всегда требуют MIMO, поэтому на практике минимум есть две «сотовые» антенны (основная + антенна разнесенного приема), а в продвинутых моделях - 3–4 и больше «эффективных антенн» под 4×4 MIMO на отдельных бэндах. Хотя это не означает «четыре отдельные железки»: чаще пара-тройка излучателей перенастраивается под разные роли через согласование и коммутацию.
Для Wi-Fi и Bluetooth (2.4/5/6 ГГц) тоже обычно делают MIMO - чаще всего 2×2, а Bluetooth нередко сидит на том же 2.4 ГГц тракте с другими фильтрами и переключением.
Под GNSS (GPS/ГЛОНАСС/Galileo/BeiDou, примерно 1.1–1.6 ГГц) почти всегда есть отдельная антенная история, потому что сигнал очень слабый и важна устойчивость к руке, помехам и соседям по плате. Иногда это отдельный небольшой излучатель, иногда часть общей системы, но схемотехника и фильтрация обычно свои.
NFC (13.56 МГц) вообще другой мир: это плоская катушка для ближней магнитной связи. Обычно большая петля рядом с беспроводной зарядкой, где много внимания уходит в механику и экранирование из-за близости к металлу и экрану.
А если поддерживаются mmWave 5G (24–39+ ГГц), то речь уже про антенные модули-решетки: обычно 2–4 по периметру корпуса, чтобы хотя бы один “видел” базовую станцию при разных хватах, и внутри каждого - фазированная решетка со своим радиочипом и усилителями. Потому что потери в дорожках и кабелях на этих частотах критичны.
И да, антенн много не от хорошей жизни. У разных технологий разные приоритеты (GNSS - чувствительность, NFC - катушка, Wi-Fi - MIMO, сотовая связь - десятки бэндов). Помехи иногда проще разрулить физическим разнесением, а рука/голова/чехол заставляют делать так, чтобы хотя бы одна антенна в каждом сценарии оказывалась рабочей и незакрытой.
Если коротко, в телефоне обычно не десять отдельных антенн, а несколько излучателей, которые через переключение и подстройку превращаются в набор независимых радиоканалов под разные режимы. Это мешает однозначно посчитать то самое число антенн, точнее считать можно по-разному.
Хитрим по-крупному
Смартфоны - это, конечно, только один из примеров использования современных радиохитростей. На деле они используются везде: в датчиках, рациях, роутерах, умных часах и еще много-много где. Если брать глобально, но проще найти сферу, где эти хитрости не используются. Авиация, железные дороги, торговля, автомобили и даже недвижка давно и плотно сидят на радиосвязи.
Заключение
Я несколько раз перечитывал эту статью, каждый раз находя чтобы еще упростить. К сожалению или к счастью, но современные технологии радиосвязи все меньше напоминают науку и все больше - черную магию. Нет какого-то одного понятного и простого объяснения. Любая проблема решается комплексно, балансом нескольких решений и еще и в динамике. С текущим уровнем микроэлектроники и вычислительных мощностей мы можем себе это позволить.
И процесс не останавливается. Я даже думать боюсь, что будет лет через двадцать. Наверное, там для базового понимания уже даже не поможет ученая степень…
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
