Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое полосковая антенна, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое полосковая антенна, патч-антенна, микрополосковая антенна, печатная антенна, f-антенна , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.
Патч-антенна (от англ. patch — заплатка, в русскоязычной литературе используется термин полосковая антенна) — тип слабонаправленной антенны диапазонов УВЧ и СВЧ. Патч-антенна состоит из тонкой плоской металлической пластины ("пятачка"), расположенной на малом (0.01…0.1λ) расстоянии параллельно плоскому металлическому экрану. Зазор между пятачком и экраном может быть заполнен слоем диэлектрика (ε = 2.5…10, tgδ = 10-3…10-2), а сама антенна изготавливаться по технологии печатных плат (микрополосковая или печатная патч-антенна). Как правило, пятачок имеет прямоугольную форму, причем расстояние между излучающими сторонами прямоугольника (т. е. длина неизлучающих сторон) близка к половине рабочей длины волны (с учетом ε).
Питание осуществляется штырем, проходящим сквозь экран (например, являющимся продолжением сигнального проводника коаксиальной линии) и смещенным от центра прямоугольника в сторону одной из его излучающих сторон, либо микрополосковой линией, сигнальный проводник которой расположен в плоскости пятачка и подходит к одной из его излучающих сторон. В обоих случаях возбуждающие проводники электрически соединяются с пятачком. Известен также электродинамический способ возбуждения пятачка через щель в экране. Поляризация излучаемой электромагнитной волны в направлении нормали к пятачку близка к линейной, известные технические решения позволяют формировать волну и с круговой поляризацией. Патч-антенна простейшей конструкции узкополосна (<5 %), но специальные технические решения позволяют расширить рабочую полосу частот до 50 % и более или строить многодиапазонные антенны.
Принцип действия патч-антенны основан на резонансе моды TM10 в объеме под пятачком, возбуждении электрического поля в зазорах вдоль двух противоположных сторон пятачка, что может рассматриваться как сонаправленное протекание эквивалентного магнитного тока вдоль каждой из этих сторон, и возбуждении электромагнитной волны этими двумя участками магнитного тока. Действие патч-антенны аналогично действию пары синфазных параллельных друг другу щелевых антенн, разнесенных на небольшое (< λ/2) расстояние. Кроссполяризационное излучение в патч-антенне традиционной конструкции обусловлено излучением магнитного тока вдоль сторон пятачка, поперечных основным (т. е. создающим излучение на основной поляризации), в том числе, модой TM02. Это излучение скомпенсировано за счет интерференции только в плоскостях E и H и достигает максимума (—10 дБ) в диагональных плоскостях.
Известно множество разновидностей патч-антенн, различающихся способом возбуждения, наличием согласующих элементов (щелей в пятачке и др.), формой пятачков (прямоугольная, круглая и др.), их числом в одном излучателе (один или несколько, как правило, не более трех), взаимным расположением (копланарное, стек) и способом взаимной связи (электрическое соединение, электродинамическая связь) и др., решающих определенные задачи и различающихся техническими характеристиками. Патч-антенны технологичны, просты в изготовлении, дешевы, удобны для использования в качестве излучающего элемента антенной решетки, в том числе, антеннах бортовых радиолокаторов, базовых станций мобильной связи GSM, плоских антеннах для приема спутникового телевидения и др. В диапазоне ОВЧ патч-антенна может изготовляться как отдельное устройство, защищенное от внешних воздействий. Участок корпуса такого устройства напротив пятачка делается радиопрозрачным.
микрополосковая антенна ( печатная антенна , патч-антенна, англ. Patch-antenna) представляет собой узкополосную антенну с широким лучом. Физически такая антенна имеет двумерную геометрию. Основным элементом патч-антенны является плоская металлическая пластина («пятачок», от англ. patch – заплатка). В простейшей микрополосковой антенне используются пластины полуволновой длины, так что металлическая поверхность этих пластин действует как резонатор подобно полуволновому диполю. Микрополосковая антенна обычно изготавливается путем помещения металлической пластины заданной формы на изолирующем слое диэлектрика, подобно тому, как делают печатные платы, с той разницей, что на противоположной от пластины стороне диэлектрика устанавливается сплошная металлическая подложка, которая образует заземляющую поверхность. Такая конструкция проста в разработке и недорога в изготовлении. В некоторых патч-антеннах не используется сплошной слой диэлектрика, взамен чего металлические пластины устанавливаются над металлической подложкой на диэлектрических прокладках. Получающаяся структура является менее прочной, но имеет более широкую рабочую полосу частот. Микрополосковые антенны разрабатываются для частот от УВЧ-диапазона до 100 GHz.
Рисунок 1. Вид простой патч-антенны в разрезе
В патч-антеннах в основном используются пластины квадратной, прямоугольной, круговой или эллиптической формы. Однако, возможно использование и любых других сплошных (непрерывных) форм. Патч-антенны характеризуются механической прочностью и могут иметь форму, соответствующую изогнутой поверхности транспортного средства. Такие антенны устанавливаются на внешних поверхностях самолетов или космических аппаратов, а также встраиваются в мобильные устройства радиосвязи. Они обладают высокой поляризационной избирательностью и могут использоваться для нескольких точек питания.
Рисунок 2. Микрополосковая антенная решетка морского навигационного FMCW-радиолокатора X-диапазона
Микрополосковые антенны появились в 1980-х годах. Изначально это была военная разработка, поэтому стоимость не имела решающего значения. В 1990-х эта технология была также адаптирована для устройств связи как низкозатратная технология. Однако эффективность микрополосковых решеток оставалась ниже, чем рефлекторных антенн. Далее приводится сравнение основных свойств антенн этих двух типов.
Простейшая патч-антенна представляет собой квадратный лепесток со стороной, равной половине длины волны, расположенный над большей по размеру пластиной земли. Чем больше пластина земли, тем лучше направленность антенны и больше ее габариты. Нередко пластину земли делают лишь немногим больше лепестка. Ток протекает в том же направлении, что и фидер, так, что векторный потенциал и, соответственно, электрическое поле следуют за током, как обозначено на рисунке стрелкой E. Простая патч-антенна излучает линейно поляризованную волну. Ее излучение может быть рассмотрено как излучение двух щелей по краям антенны или, эквивалентно, как результат протекания тока в лепестке и пластине земли.
Коэффициент усиления прямоугольной микрополосковой патч-антенны с воздушным диэлектриком может быть грубо оценен следующим образом. Поскольку длина лепестка равна половине длины волны, лепесток можно представить как полуволновой диполь, что дает около 2 дБ усиления в вертикальной оси лепестка. Если лепесток квадратный, его можно рассматривать как два полуволновых диполя, разнесенных на четверть длины волны, что дает еще 2-3 дБ усиления. Пластина земли экранирует излучение с обратной стороны антенны и сокращает среднюю по объему излучаемую мощность вдвое, что дает еще 2-3 дБ. Сложив все вместе, получим коэффициент усиления патч-антенны, равный 7-9 дБ, что неплохо согласуется с более строгими оценками.
Типичная диаграмма направленности линейно-поляризованной патч-антенны на 900 МГц показана ниже. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . На рисунке показано сечение в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости похожа, но не идентична. Масштаб графика логарифмический, так что, например, мощность, излучаемая в направлении 180° (90° влево от вертикальной оси) на 15 дБ меньше мощности основного лепестка. Ширина основного лепестка около 65°, коэффициент услиения в направлении луча 9 dBi. Бесконечно большая пластина земли полностью экранирует заднюю полусферу (от 180° до 360°), однако, пластина земли реальной антенны имеет конечные размеры. Поэтому мощность излучения в обратном направлении (задний лепесток диаграммы направленности) меньше мощности излучения основного лепестка всего лишь примерно на 20 дБ.
Ширина полосы пропускания патч-антенны сильно зависит от расстояния между лепестком и землей. Чем ближе лепесток к земле, тем меньше энергии излучается и больше запасается в емкости и индуктивности и тем выше добротность антенны. Грубо, полосу пропускания антенны можно оценить по формуле:
,
где 
— расстояние от лепестка до земли, 
— ширина лепестка (обычно половина длины волны), 
— импеданс воздушного промежутка между лепестком и землей, а 
— сопротивление излучения антенны. Относительная полоса пропускания антенны линейно зависит от ее толщины. Характерное значение импеданса воздушного промежутка 377 Ом, а сопротивления излучения 150 Ом, что позволяет упростить формулу[источник не указан 3062 дня]:
Для квадратного лепестка на 900 МГц, будет приблизительно 16 см. Толщина антенны в 1,6 см даст относительную ширину полосы пропускания в 1,2(1,6/16) ≈ 12 %, или 120 МГц.
Патч-антенны легко изготавливать печатным способом. В этом случае они получаются немного компактнее, но, поскольку их толщина меньше, полоса пропускания также уменьшается из-за увеличения добротности. Таким образом, полоса пропускания антенны обратно пропорциональна квадратному корню из эффективной диэлектрической проницаемости подложки. Также очевидно, что полоса пропускания расширяется с увеличением толщины подложки. Характерная ширина полосы пропускания печатной патч-антенны составляет единицы процентов. Часто, пластина земли реальных патч-антенн лишь немного больше лепестка, что также уменьшает эффективность. Способ возбуждения антенны также влияет на ее полосу пропускания.
Прямоугольные (не квадратные) антенны могут быть использованы для получения веерной диаграммы направленности, у которой ширина вертикального и горизонтального лепестков существенно различаются. Кроме квадратных, могут также использоваться круглые или многоугольные лепестки. Расчет излучающих характеристик таких антенн значительно сложнее.
Возможно изготовить патч-антенну с круговой поляризацией. Один из способов, питать обычный квадратный лепесток из двух точек, отстающих по фазе на 90°. В этом случае, когда, скажем, вертикальный ток максимален, горизонтальный ток равен 0. Четверть цикла спустя, ситуация становится обратной и поле становится горизонтальным. Излучаемое поле будет вращаться во времени, таким образом его поляризация будет круговой. Меняя величину фазового сдвига между двумя точками питания, можно добиться любой поляризации, от линейной до круговой. Другой способ добиться круговой поляризации, это питать квадратный лепесток из одной точки, но прорезать в нем асимметричную щель или отверстие иной формы для того чтобы сместить направление тока. Стоит отметить, что хотя дисковые лепестки и могут использоваться для такой техники, они не обязательно имеют круговую поляризацию. Например, симметричный дисковый лепесток, питаемый в одной точке, излучает линейно поляризованные волны. Наконец, если почти квадратный лепесток, у которого длина немногим больше, а ширина немногим меньше половины длины волны питать в точке угла, то поляризация его излучения будет круговой.
Микрополосковая антенная решетка для приемника спутникового телевидения .
Схема структуры питания микрополосковой антенной решетки.
В телекоммуникациях микрополосковая антенна (также известная как печатная антенна ) обычно означает антенна изготовлена с использованием фотолитографических технологий на печатной плате (печатная плата). Это своего рода внутренняя антенна. В основном они используются на микроволновых частотах . Индивидуальная микрополосковая антенна состоит из участка металлической фольги различной формы (патч-антенна ) на поверхности печатной платы (печатная плата ) с металлической фольгой плоскость заземления на другой стороне платы. Большинство микрополосковых антенн состоят из нескольких участков в двумерной решетке. Антенна обычно подключается к передатчику или приемнику через фольговые микрополосковые линии передачи . Ток радиочастоты прикладывается (или в приемных антеннах вырабатывается принятый сигнал) между антенной и заземляющим слоем. Микрополосковые антенны стали очень популярными в последние десятилетия из-за их тонкого плоского профиля, который может быть встроен в поверхности потребительских товаров, самолетов и ракет; простота их изготовления с использованием печатных плат технологий; простота интеграции антенны на одной плате с остальной частью схемы и возможность добавления активных устройств, таких как микроволновые интегральные схемы , к самой антенне, чтобы сделать активными антеннами
Наиболее распространенным типом микрополосковой антенны является патч-антенна . Также возможны антенны, использующие заплатки в качестве составных элементов в массиве. Патч-антенна представляет собой узкополосную широколучевую антенну, изготовленную путем травления рисунка антенного элемента на металлической дорожке, прикрепленной к изолирующей диэлектрической подложке, такой как печатная плата , со сплошным металлическим слоем, прикрепленным к противоположной стороне подложки, которая образует плоскость заземления . Обычные формы микрополосковых антенн - квадратные, прямоугольные, круглые и эллиптические, но возможна любая непрерывная форма. Некоторые патч-антенны не используют диэлектрическую подложку, а вместо этого сделаны из металлической накладки, установленной над заземляющим слоем с использованием диэлектрических прокладок; в результате структура менее прочная, но имеет более широкую полосу пропускания . Поскольку такие антенны имеют очень низкий профиль, обладают механической прочностью и могут иметь форму, соответствующую изгибам обшивки транспортного средства, они часто устанавливаются снаружи самолетов и космических кораблей или встраиваются в мобильную радиостанцию устройства связи.
Микрополосковые антенны относительно недороги в производстве и проектировании из-за простой двухмерной физической геометрии. Обычно они используются на UHF и более высоких частотах, поскольку размер антенны напрямую связан с длиной волны на резонансной частоте . Одиночная патч-антенна обеспечивает максимальное направленное усиление около 6-9 дБи . Относительно легко напечатать массив пятен на одной (большой) подложке с использованием литографических методов. Массивы патчей могут обеспечить гораздо больший выигрыш, чем один патч, при небольших дополнительных затратах; согласование и регулировка фазы могут быть выполнены с помощью печатных микрополосковых структур подачи, опять же в тех же операциях, которые формируют излучающие пятна. Возможность создания решеток с высоким коэффициентом усиления в низкопрофильной антенне является одной из причин того, что патч-массивы широко распространены в самолетах и других военных приложениях.
Такая матрица патч-антенн представляет собой простой способ сделать фазированную решетку антенн с возможностью динамического формирования луча.
Преимущество, присущее Патч-антенны - это способность иметь поляризационное разнесение. Патч-антенны могут быть легко сконструированы с вертикальной, горизонтальной, правой круговой (RHCP) или левой круговой (LHCP) поляризацией, используя несколько точек питания или одну точку питания с асимметричными структурами контактов. Это уникальное свойство позволяет использовать патч-антенны во многих типах каналов связи, к которым могут предъявляться различные требования.
Наиболее часто используемая микрополосковая антенна представляет собой прямоугольный участок, который выглядит как усеченная микрополосковая линия передачи. Это примерно половина длины волны. Когда в качестве диэлектрической подложки используется воздух, длина прямоугольной микрополосковой антенны составляет примерно половину длины волны в свободном пространстве . Поскольку антенна загружена диэлектриком в качестве подложки, длина антенны уменьшается по мере увеличения относительной диэлектрической проницаемости подложки. Резонансная длина антенны немного короче из-за протяженных электрических «окаймляющих полей», которые немного увеличивают электрическую длину антенны. Ранняя модель микрополосковой антенны представляет собой участок микрополосковой линии передачи с эквивалентными нагрузками на обоих концах для представления потерь излучения.
Диэлектрическая нагрузка микрополосковой антенны влияет как на диаграмму направленности, так и на ширину полосы импеданса. По мере увеличения диэлектрической проницаемости подложки ширина полосы пропускания антенны уменьшается, что увеличивает добротность антенны и, следовательно, уменьшает ширину полосы импеданса. Эта взаимосвязь не сразу прослеживается при использовании модели линии передачи антенны, но становится очевидной при использовании модели резонатора, которая была представлена в 1973 году Ито и Миттра. Излучение прямоугольной микрополосковой антенны можно понимать как пару эквивалентных щелей. Эти прорези действуют как матрица и имеют самую высокую направленность, когда антенна имеет воздушный диэлектрик, и уменьшается, когда ее заменяют диэлектрической подложкой с увеличением относительной диэлектрической проницаемости.
Полуволновая прямоугольная микрополосковая антенна имеет виртуальную замыкающую плоскость по центру. Ее можно заменить физической закорачивающей плоскостью, чтобы создать четвертьволновую микрополосковую антенну. Иногда это называют полу-патчем. Антенна имеет только один край излучения (эквивалентный слот), что снижает направленность / усиление антенны. Полоса пропускания импеданса немного ниже, чем полуволны полного патча, так как связь между излучающими краями устранена.
Другой тип патч-антенны - это планарная перевернутая
f-антенна (PIFA). PIFA широко используется в сотовых телефонах (мобильных телефонах) как встроенная структура. Эти антенны являются производными от четвертьволновой полупатч-антенны. Уменьшается длина закорачивающей плоскости полупетча, что снижает резонансную частоту. Он отличается низким профилем и приемлемыми характеристиками SAR. Эта антенна напоминает перевернутую букву F, что объясняет название PIFA. Он популярен как компактная антенна с всенаправленной диаграммой направленности.
Часто антенны PIFA имеют несколько ответвлений для резонанса в различных диапазонах сотовой связи. В некоторых телефонах используются заземленные паразитные элементы для улучшения характеристик полосы излучения.
Сложенная перевернутая конформная антенна (FICA) имеет некоторые преимущества по сравнению с PIFA, поскольку она позволяет лучше повторно использовать объем.
Дефектная структура заземления Интегрированная в (DGS ) микрополосковая заплатка была популярна для множества целей. Этот метод вводит ограниченное количество щелей небольшого размера, называемых «дефектами» на плоскости заземления под патчем, и потенциально способен улучшить его свойства как в дальнем, так и в ближнем поле. Это было задумано и представлено в 2005 году Дебатошем Гуха и группой для управления кросс-поляризованным излучением без дополнительных компонентов, объема, веса или стоимости. Техника достаточно продвинута, чтобы уменьшить кросс-поляризованное излучение даже в диагональных плоскостях микрополоскового пятна. Метод DGS одинаково эффективен для уменьшения взаимной связи в больших массивах микрополосков и, следовательно, смягчения проблемы слепоты сканирования лучей радара. Метод DGS оказался очень привлекательным для применения в воздухе.
Исследование, описанное в статье про полосковая антенна, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое полосковая антенна, патч-антенна, микрополосковая антенна, печатная антенна, f-антенна и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства СВЧ и антенны
Термины: Устройства СВЧ и антенны