Patch antenne

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 2. august 2018; verifikation kræver 1 redigering .

Patch- antenne _ _ _ _ _ _ _ _ Patch-antennen består af en tynd flad metalplade ("patch") placeret i en lille (0,01...0,1λ) afstand parallelt med den flade metalskærm. Mellemrummet mellem lappen og skærmen kan fyldes med et dielektrisk lag (ε = 2,5...10, tgδ = 10 -3 ...10 -2 ), og selve antennen kan laves ved hjælp af printkortteknologi ( mikrostrip eller printet patch ) antenne). Som regel har lappen en rektangulær form, og afstanden mellem rektanglets udstrålende sider (dvs. længden af de ikke-emitterende sider) er tæt på halvdelen af driftsbølgelængden (under hensyntagen til ε).

Strømmen leveres af en stift, der går gennem skærmen (f.eks. en fortsættelse af koaksialledningens signalleder) og forskudt fra midten af rektanglet mod en af dets udstrålende sider, eller af en mikrostrimmellinje, signallederen hvoraf er placeret i patchplanet og nærmer sig en af dens udstrålende sider. I begge tilfælde er de spændende ledere elektrisk forbundet med lappen. Der kendes også en elektrodynamisk metode til excitation af et plaster gennem en spalte i skærmen. Polariseringen af den udsendte elektromagnetiske bølge i retning af normalen til lappen er tæt på lineær, de kendte tekniske løsninger gør det muligt at danne en bølge med cirkulær polarisering. Patchantennen af det enkleste design er smalbåndet (<5%), men specielle tekniske løsninger gør det muligt at udvide driftsfrekvensbåndet op til 50% eller mere eller bygge multibåndsantenner.

Driftsprincippet for patch-antennen er baseret på resonansen af TM 10 -tilstanden i lydstyrken under patchen, excitationen af et elektrisk felt i hullerne langs to modsatte sider af patchen, hvilket kan betragtes som den co-direktionelle strømning af en ækvivalent magnetisk strøm langs hver af disse sider, og exciteringen af en elektromagnetisk bølge af disse to sektioner af magnetfeltet. Funktionen af en patch-antenne svarer til den for et par in-fase slot-antenner parallelt med hinanden , adskilt af en lille (< λ/2) afstand. Krydspolarisationsstråling i en patch-antenne af et traditionelt design skyldes strålingen af en magnetisk strøm langs siderne af patchen, på tværs af den primære (dvs. skaber stråling ved hovedpolarisationen), inklusive TM 02 -tilstanden . Denne stråling kompenseres kun ved interferens i E- og H- planerne og når et maksimum (-10 dB) i diagonalplanerne.

Der er mange varianter af patch-antenner, der adskiller sig i excitationsmetoden, tilstedeværelsen af matchende elementer (slots i patchen osv.), formen på patcherne (rektangulære, runde osv.), deres antal i en emitter ( en eller flere, som regel ikke mere end tre ), gensidigt arrangement (coplanar, stack) og metoden til gensidig forbindelse (elektrisk forbindelse, elektrodynamisk forbindelse) osv., løser visse problemer og adskiller sig i tekniske egenskaber. Patch-antenner er teknologisk avancerede, nemme at fremstille, billige, bekvemme at bruge som et udstrålende element i et antennearray , inklusive antenner til luftbårne radarer, basestationer til GSM -mobilkommunikation , flade antenner til modtagelse af satellit-tv osv. I VHF-båndet , kan en patch-antenne fremstilles som en separat enhed, beskyttet mod ydre påvirkninger. Sektionen af kroppen af en sådan enhed modsat plasteret er gjort radiotransparent.

Antennedesign

Den enkleste patch-antenne er en firkantet lap med en side svarende til halvdelen af bølgelængden, placeret over den større jordplade. Jo større jordpladen er, jo bedre retningsbestemmelse af antennen og jo større er dens dimensioner. Ofte laves en jordplade kun lidt mere end et kronblad. Strømmen løber i samme retning som føderen, så vektorpotentialet og dermed det elektriske felt følger strømmen, som vist med pilen E i figuren . En simpel patch-antenne udsender en lineært polariseret bølge. Dens stråling kan betragtes som stråling fra to spalter ved antennens kanter eller tilsvarende som et resultat af strømmen i loben og jordpladen.

Gain

Forstærkningen af en rektangulær mikrostrip luft dielektrisk patch-antenne kan groft estimeres som følger. Fordi lappen er halvdelen af bølgelængden, kan lappen opfattes som en halvbølgedipol , hvilket giver omkring 2 dB forstærkning i lappens lodrette akse. Hvis lappen er firkantet, kan den ses som to halvbølgedipoler adskilt af en kvart bølgelængde, hvilket giver yderligere 2-3 dB forstærkning. Jordpladen skærmer strålingen fra bagsiden af antennen og reducerer den gennemsnitlige udstrålede effekt med det halve, hvilket giver yderligere 2-3 dB. Sætter vi det hele sammen får vi en patch-antenneforstærkning på 7-9 dB, hvilket stemmer godt overens med mere stringente estimater.

Strålingsmønster

Et typisk strålingsmønster for en lineært polariseret 900 MHz patch-antenne er vist nedenfor. Figuren viser et snit i et vandret plan. Det lodrette mønster er ens, men ikke identisk. Grafens skala er logaritmisk, så f.eks. den effekt, der udstråles i retning af 180° (90° til venstre for den lodrette akse) er 15 dB mindre end effekten af hovedlappen. Bredden af hovedloben er omkring 65°, forstærkningen i strålens retning er 9 dBi . En uendelig stor jordplade skærmer fuldstændigt den bagerste halvkugle (fra 180° til 360°), dog har jordpladen på en rigtig antenne endelige dimensioner. Derfor er strålingseffekten i den modsatte retning (bagloben) kun omkring 20 dB mindre end hovedlobens strålingseffekt.

Båndbredde

Båndbredden af en patch-antenne er meget afhængig af afstanden mellem lappen og jorden. Jo tættere lappen er på jorden, jo mindre energi udstråles og mere lagres i kapacitans og induktans, og jo højere kvalitetsfaktor på antennen. Groft kan båndbredden af en antenne estimeres ved formlen:

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

hvor er afstanden fra lappen til jorden, er bredden af lappen (normalt halvdelen af bølgelængden), er impedansen af luftgabet mellem lappen og jorden, og er strålingsmodstanden for antennen . Den relative båndbredde af en antenne afhænger lineært af dens tykkelse. Den karakteristiske værdi af luftgabets impedans er 377 ohm, og strålingsmodstanden er 150 ohm, hvilket gør det muligt at forenkle formlen $d$ $W$ $Zo$ $Rad$ :

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

For en 900 MHz firkantsløjfe ville dette være cirka 16 cm. En antennetykkelse på 1,6 cm ville give en relativ båndbredde på 1,2(1,6/16) ≈ 12% eller 120 MHz. $W$

Patch-antenner er nemme at printe. I dette tilfælde er de lidt mere kompakte, men da de er tyndere, falder båndbredden også på grund af stigningen i Q-faktor. Således er antennebåndbredden omvendt proportional med kvadratroden af den effektive permittivitet af substratet. Det er også tydeligt, at båndbredden stiger med stigende substrattykkelse. Den karakteristiske båndbredde for en printet patch-antenne er nogle få procent. Ofte er jordpladen på rigtige patch-antenner kun lidt større end lappen, hvilket også reducerer effektiviteten. Måden en antenne drives på påvirker også dens båndbredde.

Rektangulære (ikke-kvadratiske) antenner kan bruges til at producere et vifteformet strålingsmønster, hvor de lodrette og vandrette lobbredder er væsentligt forskellige. Ud over firkantede kronblade kan runde eller polygonale kronblade også bruges. Beregningen af udstrålingskarakteristika for sådanne antenner er meget mere kompliceret.

Cirkulær polarisering

Det er muligt at fremstille en patch-antenne med cirkulær polarisering. En måde er at tilføre en almindelig firkantlap fra to punkter 90° ude af fase. I dette tilfælde, når f.eks. den lodrette strøm er på sit maksimum, er den vandrette strøm 0. En kvart cyklus senere vender situationen, og feltet bliver vandret. Det udstrålede felt vil rotere med tiden, så dets polarisering vil være cirkulært. Ved at ændre mængden af faseforskydning mellem to fødepunkter kan enhver polarisering opnås, fra lineær til cirkulær. En anden måde at opnå cirkulær polarisering på er at tilføre en firkantet lap fra et punkt, men skære en asymmetrisk spalte eller et andet formet hul i det for at flytte retningen af strømmen. Det er værd at bemærke, at selvom disklapper kan bruges til denne teknik, er de ikke nødvendigvis cirkulært polariserede. For eksempel udsender en symmetrisk skivelob, der fødes på et punkt, lineært polariserede bølger. Endelig, hvis et næsten firkantet kronblad, som har en længde lidt længere og en bredde lidt mindre end halvdelen af bølgelængden, tilføres i et vinkelpunkt, så vil polariseringen af dets stråling være cirkulær.

Litteratur

Antenne Theory (3. udgave), C. Balanis, Wiley 2005
Antenne Engineering Håndbog, red. R. Johnson, McGraw-Hill 1993
Microstrip-antenner, B. A. Panchenko, E. I. Nefedov, M., Radio and Communication 1986)