Микрополосковая антенна - Microstrip antenna

Микрополосковая антенная решетка для спутниковое телевидение получатель.
Схема структуры питания микрополосковой антенной решетки.

В телекоммуникации, а микрополосковая антенна (также известный как печатная антенна) обычно означает антенна изготовлен с использованием фотолитографический техники на печатная плата (Печатная плата).[1] Это своего рода внутренняя антенна. В основном они используются в микроволновая печь частоты. Индивидуальная микрополосковая антенна представляет собой кусок металлической фольги различной формы ( патч антенна ) на поверхности печатной платы (печатная плата ), с металлической фольгой плоскость земли с другой стороны доски. Большинство микрополосковых антенн состоят из нескольких участков в двумерной решетке. Антенна обычно подключается к передатчик или получатель через фольгу микрополоска линии передачи. В радиочастота между антенной и заземляющим слоем подается ток (или в приемных антеннах создается принятый сигнал). Микрополосковые антенны стали очень популярными в последние десятилетия из-за их тонкого планарного профиля, который может быть встроен в поверхности потребительских товаров, самолетов и ракет; их простота изготовления с использованием печатная схема техники; простота интеграции антенны на одной плате с остальной схемой, а также возможность добавления активных устройств, таких как СВЧ интегральные схемы к самой антенне сделать активные антенны [2]

Патч антенна

Наиболее распространенный тип микрополосковой антенны широко известен как патч антенна. Также возможны антенны, использующие заплатки в качестве составных элементов массива. Патч-антенна - это узкополосная широкополоснаялуч антенна, изготовленная путем травления рисунка антенного элемента на металлической дорожке, прикрепленной к изолирующей диэлектрик субстрат, такой как печатная плата, с непрерывным металлическим слоем, прикрепленным к противоположной стороне подложки, который образует плоскость земли. Обычные формы микрополосковых антенн - квадратные, прямоугольные, круглые и эллиптические, но возможна любая непрерывная форма. В некоторых патч-антеннах не используется диэлектрическая подложка, а вместо этого они сделаны из металлической накладки, установленной над заземляющей пластиной с использованием диэлектрических прокладок; в результате структура менее прочная, но имеет более широкую пропускная способность. Поскольку такие антенны имеют очень низкий профиль, механически прочны и могут иметь форму, соответствующую изгибам обшивки транспортного средства, они часто устанавливаются снаружи самолетов и космических кораблей или встраиваются в мобильное радио устройства связи.

Преимущества

Микрополосковые антенны относительно недороги в производстве и проектировании из-за простой двумерной физической геометрии. Обычно они работают в УВЧ и более высокие частоты, потому что размер антенны напрямую зависит от длина волны на резонансная частота. Одиночная патч-антенна обеспечивает максимальное направленное усиление около 6-9. дБи. Относительно легко напечатать массив пятен на одной (большой) подложке с помощью 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 создавать решетки с высоким коэффициентом усиления в низкопрофильной антенне является одной из причин того, что патч-массивы широко используются в самолетах и ​​других военных приложениях.

Такой набор патч-антенн - простой способ сделать фазированная решетка антенн с динамическим формирование луча способность.[3]

Преимуществом патч-антенн является возможность поляризация разнообразие. 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.[4] Это уникальное свойство позволяет использовать патч-антенны во многих типах каналов связи, к которым могут предъявляться различные требования.

Прямоугольная нашивка

Наиболее часто используемая микрополосковая антенна представляет собой прямоугольный участок, который выглядит как усеченный микрополоска линия передачи. Это примерно половина длины волны. Когда в качестве диэлектрической подложки используется воздух, длина прямоугольной микрополосковой антенны составляет примерно половину свободного пространства. длина волны. Поскольку антенна нагружена диэлектриком в качестве подложки, длина антенны уменьшается по мере относительной диэлектрическая постоянная субстрата увеличивается. 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.

Характеристики

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 полосу сопротивления. 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. [5] Излучение от 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.

Другие типы

Другой тип патч-антенны - это плоская перевернутая F-антенна (PIFA). PIFA широко используется в сотовых телефонах (мобильных телефонах) как встроенная структура.[6][7]Эти антенны являются производными от четвертьволновой полупатч-антенны. Уменьшается длина закорачивающей плоскости полупетча, что снижает резонансную частоту.[8] Она отличается низким профилем и приемлемыми характеристиками SAR. Эта антенна напоминает перевернутую букву F, что объясняет название PIFA. Он популярен как компактная антенна с ненаправленной диаграммой направленности.[9]

Часто антенны PIFA имеют несколько ответвлений для резонанса в различных диапазонах сотовой связи. В некоторых телефонах используются заземленные паразитные элементы для улучшения характеристик ширины полосы излучения.

В сложенная перевернутая конформная антенна (FICA)[10] имеет некоторые преимущества по сравнению с PIFA, поскольку позволяет лучше повторно использовать том.

Дефектная структура земли (DGS) -интегрированный микрополосковый патч был популярен для различных 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 г. Гуха [11] для управления кросс-поляризованным излучением без дополнительных компонентов, объема, веса или стоимости. Техника достаточно продвинута, чтобы уменьшить кроссполяризованное 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.[12][13]. Метод DGS оказался очень привлекательным для применения в воздухе.

использованная литература

  1. ^ Ли, Кай Фонг; Лук, Квай Ман (2017). Микрополосковые патч-антенны. World Scientific. С. 8–12. ISBN  978-9813208612.
  2. ^ Панди, Анил (2019). Практичный дизайн микрополосковой и печатной антенны. Бостан: Artech House. п. 443. ISBN  9781630816681.
  3. ^ "Добро пожаловать в" Антенны 101 " Луи Э. Френзель, «Электронный дизайн», 2008 г.
  4. ^ Бэнкрофт, Р. Микрополосковая и печатная конструкция антенны Noble Publishing 2004, глава 2-3
  5. ^ Тацуо Ито, иРадж Миттра «Анализ микрополоскового дискового резонатора». Arch Elek Ubertagung, т. 21, ноябрь 1973, стр. 456-458.
  6. ^ "PIFA - Планарная перевернутая F-антенна".
  7. ^ Юлиан Рошу."PIFA - плоская перевернутая F-антенна".
  8. ^ "Перевернутая F-антенна (IFA)" на antenna-theory.com
  9. ^ Тага, Т. Цунекава, К. и Саски, А., «Антенны для съемных мобильных радиостанций». Обзор ECL, NTT, Япония, Vol. 35, № 1, январь 1987 г., стр. 59-65.
  10. ^ Di Nallo, C .; Фараоне, А., «Многодиапазонная внутренняя антенна для мобильных телефонов», Электронные письма, том 41, № 9, стр. 514-515, 28 апреля 2005 г.
  11. ^ Guha, D .; Biswas, M .; Антар, Ю. (2005), "Микрополосковая патч-антенна с дефектной структурой заземления для подавления кросс-поляризации", Антенны IEEE и письма о беспроводном распространении, 4: 455–458, Дои:10.1109 / LAWP.2005.860211
  12. ^ Hou, D.-B .; и другие. (2009), «Устранение слепоты сканирования с компактными дефектными наземными структурами в микрополосковой фазированной решетке», IET Микроволны, антенны и распространение, 3: 269–275, Дои:10.1049 / iet-map: 20080037
  13. ^ Guha, D .; Biswas, S .; Антар, Ю. (2011), "Дефектная наземная структура для микрополосковых антенн", в микрополосковых и печатных антеннах: новые тенденции, методы и приложения, John Wiley & Sons: Великобритания, Дои:10.1002/9780470973370

внешние ссылки