Patch antena

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 2 august 2018; verificarea necesită 1 editare .

Patch Antena _ _ _ _ _ _ _ _ Antena patch constă dintr-o placă metalică plată subțire ("plastic") situată la o distanță mică (0,01...0,1λ) paralelă cu ecranul metalic plat. Intervalul dintre plasture și ecran poate fi umplut cu un strat dielectric (ε = 2,5…10, tgδ = 10 -3 …10 -2 ), iar antena în sine poate fi realizată folosind tehnologia plăcilor de circuit imprimat ( microstrip sau patch imprimat antenă). De regulă, plasturele are o formă dreptunghiulară, iar distanța dintre laturile radiante ale dreptunghiului (adică lungimea laturilor neemițătoare) este aproape de jumătate din lungimea de undă de funcționare (ținând cont de ε).

Puterea este furnizată de un pin care trece prin ecran (de exemplu, fiind o continuare a conductorului de semnal al liniei coaxiale) și decalat de la centrul dreptunghiului spre una dintre laturile sale radiante, sau printr-o linie microbandă, conductorul de semnal. dintre care se află în planul de petec și se apropie de una dintre laturile sale radiante. În ambele cazuri, conductorii de excitare sunt conectați electric la patch. De asemenea, este cunoscută o metodă electrodinamică de excitare a unui plasture printr-un slot din ecran. Polarizarea undei electromagnetice emise în direcția normalului la patch este apropiată de liniară, soluțiile tehnice cunoscute fac posibilă formarea unei unde cu polarizare circulară. Antena patch cu cel mai simplu design este de bandă îngustă (<5%), dar soluțiile tehnice speciale fac posibilă extinderea benzii de frecvență de operare până la 50% sau mai mult sau construirea de antene multi-bandă.

Principiul de funcționare al antenei de patch se bazează pe rezonanța modului TM 10 în volumul de sub patch, excitarea unui câmp electric în golurile de-a lungul a două laturi opuse ale patch-ului, care poate fi considerat drept co-direcțional. fluxul unui curent magnetic echivalent de-a lungul fiecăreia dintre aceste laturi și excitarea unei unde electromagnetice de către aceste două secțiuni ale câmpului magnetic. Funcționarea unei antene patch este similară cu cea a unei perechi de antene slot în fază paralele între ele , separate printr-o distanță mică (< λ/2). Radiația de polarizare încrucișată într-o antenă cu patch cu design tradițional se datorează radiației unui curent magnetic de-a lungul părților laterale ale patch-ului, transversal față de cel principal (adică, creând radiație la polarizarea principală), inclusiv modul TM 02 . Această radiație este compensată prin interferență doar în planurile E și H și atinge un maxim (-10 dB) în planurile diagonale.

Există multe varietăți de antene cu patch care diferă prin metoda de excitare, prezența elementelor de potrivire (fante în plasture etc.), forma patch-urilor (dreptunghiulară, rotundă etc.), numărul lor într-un emițător ( unul sau mai multe, de regulă, nu mai mult de trei ), aranjament reciproc (coplanar, stivă) și metoda de conectare reciprocă (conexiune electrică, conexiune electrodinamică), etc., rezolvând anumite probleme și diferă în caracteristicile tehnice. Antenele patch sunt avansate din punct de vedere tehnologic, ușor de fabricat, ieftine, convenabile pentru utilizare ca element radiant al unei rețele de antene, inclusiv antene pentru radare aeropurtate, stații de bază pentru comunicații mobile GSM , antene plate pentru recepția televiziunii prin satelit etc. În banda VHF , o antenă patch poate fi fabricată ca dispozitiv separat, protejat de influențele externe. Secțiunea corpului unui astfel de dispozitiv opusă plasturelui este făcută radio-transparentă.

Design antene

Cea mai simplă antenă cu plasture este un lob pătrat cu o latură egală cu jumătate din lungimea de undă, situat deasupra plăcii de pământ mai mare. Cu cât placa de masă este mai mare, cu atât este mai bună directivitatea antenei și cu atât dimensiunile acesteia sunt mai mari. Adesea, o placă de pământ este făcută doar puțin mai mult decât o petală. Curentul circulă în aceeași direcție cu alimentatorul, astfel încât potențialul vectorial și, în consecință, câmpul electric urmează curentul, așa cum este indicat de săgeata E din figură . O antenă cu patch simplă radiază o undă polarizată liniar. Radiația sa poate fi considerată radiație din două fante de la marginile antenei sau, echivalent, ca rezultat al fluxului de curent în lobul și placa de pământ.

Câștigă

Câștigul unei antene cu patch dielectric cu aer cu microbandă dreptunghiulară poate fi estimat aproximativ după cum urmează. Deoarece lobul are jumătate din lungimea de undă, lobul poate fi considerat ca un dipol cu jumătate de undă , oferind aproximativ 2 dB de amplificare pe axa verticală a lobului. Dacă lobul este pătrat, acesta poate fi privit ca doi dipoli cu jumătate de undă separați de un sfert de lungime de undă, oferind încă 2-3 dB de câștig. Placa de masă protejează radiația din spatele antenei și reduce puterea medie radiată la jumătate, ceea ce dă încă 2-3 dB. Punând totul cap la cap, obținem un câștig de antenă patch de 7-9 dB, ceea ce este în acord cu estimări mai stricte.

Modelul de radiații

Un model tipic de radiație al unei antene cu patch de 900 MHz polarizat liniar este prezentat mai jos. Figura prezintă o secțiune într-un plan orizontal. Modelul vertical este similar, dar nu identic. Scara graficului este logaritmică, astfel încât, de exemplu, puterea radiată în direcția de 180° (90° la stânga axei verticale) este cu 15 dB mai mică decât puterea lobului principal. Lățimea lobului principal este de aproximativ 65°, câștigul în direcția fasciculului este de 9 dBi . O placă de masă infinit de mare acoperă complet emisfera posterioară (de la 180° la 360°), cu toate acestea, placa de masă a unei antene reale are dimensiuni finite. Prin urmare, puterea de radiație în direcția inversă (lobul posterior) este mai mică decât puterea de radiație a lobului principal cu doar aproximativ 20 dB.

Lățimea de bandă

Lățimea de bandă a unei antene cu patch depinde în mare măsură de distanța dintre lobul și sol. Cu cât lobul este mai aproape de pământ, cu atât este mai puțină energie radiată și mai multă este stocată în capacități și inductanță și cu atât factorul de calitate al antenei este mai mare. Aproximativ, lățimea de bandă a unei antene poate fi estimată prin formula:

{\frac {\delta f}{f_{res}}}={\frac {Z_{0}}{2R_{rad}}}{\frac {d}{W}}

unde este distanța de la lobul la sol, este lățimea lobului (de obicei jumătate din lungimea de undă), este impedanța spațiului de aer dintre lob și sol și este rezistența la radiații a antenei . Lățimea de bandă relativă a unei antene depinde liniar de grosimea acesteia. Valoarea caracteristică a impedanței spațiului de aer este de 377 ohmi, iar rezistența la radiații este de 150 ohmi, ceea ce face posibilă simplificarea formulei $d$ $W$ $Zo$ $Rad$ :

{\frac {\delta f}{f_{res}}}=1,2\left({\frac {d}{W}}\right)

Pentru un lob pătrat de 900 MHz, aceasta ar fi de aproximativ 16 cm. O grosime de antenă de 1,6 cm ar da o lățime de bandă relativă de 1,2(1,6/16) ≈ 12% sau 120 MHz. $W$

Antenele patch sunt ușor de imprimat. În acest caz, sunt puțin mai compacte, dar din moment ce sunt mai subțiri, lățimea de bandă scade și din cauza creșterii factorului Q. Astfel, lățimea de bandă a antenei este invers proporțională cu rădăcina pătrată a permitivității efective a substratului. De asemenea, este clar că lățimea de bandă crește odată cu creșterea grosimii substratului. Lățimea de bandă caracteristică a unei antene tip patch imprimat este de câteva procente. Adesea, placa de masă a antenelor de plasture reale este doar puțin mai mare decât lobul, ceea ce reduce și eficiența. Modul în care este condusă o antenă îi afectează și lățimea de bandă.

Antenele dreptunghiulare (nepătrate) pot fi folosite pentru a produce un model de radiație în formă de evantai, în care lățimile lobului vertical și orizontal sunt semnificativ diferite. Pe lângă petalele pătrate, pot fi folosite și petale rotunde sau poligonale. Calculul caracteristicilor de radiație ale unor astfel de antene este mult mai complicat.

Polarizare circulară

Este posibilă fabricarea unei antene patch cu polarizare circulară. O modalitate este de a alimenta un lob pătrat obișnuit din două puncte defazate la 90°. În acest caz, când, să zicem, curentul vertical este la maxim, curentul orizontal este 0. Un sfert de ciclu mai târziu, situația se inversează și câmpul devine orizontal. Câmpul radiat se va roti în timp, deci polarizarea lui va fi circulară. Prin modificarea cantității de defazare între două puncte de alimentare, se poate obține orice polarizare, de la liniară la circulară. O altă modalitate de a obține polarizarea circulară este să alimentați un lob pătrat dintr-un punct, dar să tăiați o fantă asimetrică sau o altă gaură în formă pentru a schimba direcția curentului. Este demn de remarcat faptul că, deși lobii discului pot fi utilizați pentru această tehnică, aceștia nu sunt neapărat polarizați circular. De exemplu, un lobul de disc simetric alimentat într-un punct emite unde polarizate liniar. În cele din urmă, dacă o petală aproape pătrată, care are o lungime puțin mai mare și o lățime puțin mai mică de jumătate din lungimea de undă, este alimentată într-un punct unghiular, atunci polarizarea radiației sale va fi circulară.

Literatură

Teoria antenei (ediția a treia), C. Balanis, Wiley 2005
Antenna Engineering Handbook, ed. R. Johnson, McGraw-Hill 1993
Antene microstrip, B. A. Panchenko, E. I. Nefedov, M., Radio și Comunicare 1986)