Микрополосковая антенна: конструкция, работа, типы, методы питания и ее применение

Антенна или антенна в радиотехнике – это специализированное преобразователь , состоящий из множества проводников, которые электрически соединены с передатчиком или приемником. Основная функция антенны — передавать и принимать радиоволны одинаково во всех горизонтальных направлениях. Антенны доступны в разных типах и формах. Маленькие антенны можно найти на крышах домов, чтобы смотреть телевизор, а большие антенны улавливают сигналы от разных спутников, находящихся на расстоянии миллионов миль. Антенны перемещаются вертикально и горизонтально для захвата и передачи сигнала. Есть разные типы антенн доступны такие как апертура, проволока, линза, отражатель, микрополоска, логарифмическая периодика, матрица и многое другое. В этой статье рассматривается обзор микрополосковая антенна .

Определение микрополосковой антенны

Антенна, форма которой формируется путем простого вытравливания куска проводящего материала над поверхностью диэлектрика, называется микрополосковой антенной или патч-антенной. На заземляющей плоскости этой микрополосковой антенны установлен диэлектрический материал, который поддерживает всю конструкцию. Кроме того, возбуждение этой антенны может обеспечиваться фидерными линиями, подключенными к патчу. Как правило, эти антенны считаются низкопрофильными антеннами, которые используются в микроволновых приложениях с частотой выше 100 МГц.

Микрополоска/патч антенны может быть прямоугольной, квадратной, эллиптической или круглой для упрощения анализа и изготовления. В некоторых микрополосковых антеннах не используется диэлектрическая подложка, а они состоят из металлической пластины, которая крепится к заземляющей поверхности с помощью диэлектрических прокладок; таким образом, полученное образование менее прочное, но его полоса пропускания шире.

Конструкция микрополосковой антенны

Спроектировать микрополосковую антенну можно с помощью чрезвычайно тонкой металлической полосы, расположив ее на заземляющей плоскости между диэлектрическим материалом. Здесь диэлектрический материал представляет собой подложку, используемую для отделения полосы от заземляющего слоя. Когда эта антенна возбуждается, генерируемые волны в диэлектрике отражаются, и энергия, излучаемая краями металлической пластины, становится очень низкой. Эти формы антенн идентифицируются по форме металлического пятна, расположенного на диэлектрическом материале.

Обычно полоска/заплатка и линии подачи фототравятся на поверхности подложки. Существуют различные формы микрополосковых антенн, такие как квадратная, дипольная, прямоугольная, круглая, эллиптическая и дипольная. Мы знаем, что заплатки могут быть различной формы, но из-за простоты изготовления обычно используются заплатки круглой, квадратной и прямоугольной формы.

Микрополосковые антенны также могут быть сформированы с помощью группы различных патчей над диэлектрической подложкой. Для возбуждения микрополосковой антенны используются либо одна, либо несколько линий питания. Таким образом, наличие матриц микрополосковых элементов обеспечивает лучшую направленность, высокий коэффициент усиления и увеличенную дальность передачи при низких помехах.

Работа микрополосковой антенны

Микрополосковая антенна работает как; всякий раз, когда ток по питающей линии достигает полоски микрополосковой антенны, возникают электромагнитные волны. Таким образом, эти волны от патча начнут расходиться со стороны ширины. Однако когда толщина полосы очень мала, волны, возникающие в подложке, будут отражаться от края полосы. Постоянная полосковая структура по длине не допускает излучения.

Низкая излучательная способность микрополосковой антенны позволяет покрывать только передачу волн на небольшие расстояния, например, в магазинах, закрытых помещениях или местных офисах. Таким образом, такая неэффективная передача волн неприемлема в централизованном месте на очень большой территории. Обычно полусферическое покрытие обеспечивается патч-антенной под углом 30⁰ – 180⁰ на расстоянии от крепления.

Технические характеристики микрополосковой антенны

Технические характеристики микрополосковой антенны включают следующее.

• Его резонансная частота составляет 1,176 ГГц.
• Диапазон частот микрополосковой антенны составляет от 2,26 ГГц до 2,38 ГГц.
• Диэлектрическая проницаемость подложки составляет 5,9.
• Высота диэлектрической подложки составляет 635 мкм.
• Способ подачи – подача микрополосковой линии.
• Тангенс потерь равен 0,00 12.
• Проводник серебряный.
• Толщина проводника 25 мкм.
• Его полоса пропускания составляет fo ± 10 ГГц.
• Его усиление превышает 5 дБ.
• Его осевое соотношение ниже 4 дБ.
• Его обратные потери лучше, чем 15 дБ.

Типы микрополосковых антенн

Существуют различные типы микрополосковых антенн, которые обсуждаются ниже.

Микрополосковая патч-антенна

Эти типы антенн представляют собой низкопрофильные антенны, в которых металлическая заплатка расположена на уровне земли через диэлектрический материал между ними, образуя полосковую (или) патч-антенну. Эти антенны представляют собой антенны чрезвычайно малого размера с низким уровнем излучения. Эта антенна включает в себя излучающее пятно на одной стороне диэлектрической подложки, а с другой стороны имеет заземляющую пластину.

Обычно пластырь изготавливается из проводящего материала, такого как золото или медь. Антенны такого типа можно сформировать микрополосковым методом, просто изготовив их на печатной плате. Эти антенны используются в микроволновых приложениях, частота которых превышает 100 МГц.

Микрополосковая дипольная антенна

Микрополосковая дипольная антенна представляет собой тонкий микрополосковый проводник, который размещается на фактической части подложки и полностью покрыт металлом с одной стороны, известной как заземляющая плоскость. Эти антенны используются в устройствах цифровой связи, таких как компьютеры и узлы WLAN. Ширина антенны этого типа невелика, поэтому ее можно использовать в точке входа в систему WLAN.

Печатная щелевая антенна

Антенна с печатной щелью играет ключевую роль в расширении полосы пропускания антенны с диаграммами направленности в обоих направлениях. Чувствительность этой антенны ниже, чем у обычных антенн. Эти антенны необходимы по всей линии питания, которая расположена противоположно подложке и вертикально оси паза, расположенного над патчем.

Микрополосковая антенна бегущей волны

Микрополосковые антенны бегущей волны в основном имеют длинную микрополосковую линию достаточной ширины для поддержки подключения TE. Эти типы микрочиповых антенн сконструированы таким образом, что основной луч лежит в пределах любого маршрута от борта до конца огня.

Способы питания микрополосковой антенны

Микрополосковая антенна имеет два метода питания; контактирующий корм и бесконтактный корм, которые обсуждаются ниже.

Контакт с лентой

Мощность при контакте питания подается непосредственно на излучающий элемент. Так что это можно сделать с помощью коаксиальной линии/микрополоски. Этот тип метода кормления снова делится на два типа; Микрополосковая подача и коаксиальная подача, которые обсуждаются ниже.

Микрополосковая подача

Микрополосковый фидер представляет собой проводящую полоску, ширина которой очень мала по сравнению с шириной излучающего элемента. Линия подачи обеспечивает простое травление над подложкой, поскольку полоска имеет более тонкие размеры. Преимущество этого типа устройства подачи заключается в следующем: что материал можно протравить поверх аналогичной подложки, чтобы получить плоскую структуру. Линия подачи к конструкции предусмотрена либо посередине, либо смещено, либо вставлено. Основная цель вставки внутри патча — согласовать импеданс питающей линии с патчем без необходимости использования каких-либо дополнительных согласующих элементов.

Коаксиальный канал

Этот метод подачи является наиболее часто используемым и представляет собой непланарный метод подачи, при котором для подачи патча используется коаксиальный кабель z. Этот метод питания применяется к микрополосковой антенне таким образом, что внутренний проводник напрямую подключается к патчу, тогда как внешний проводник подключается к заземляющей пластине.

Импеданс будет меняться при разнице в расположении коаксиального фидера. Когда линия питания подключена в любом месте патча, это помогает согласовать импеданс. Однако линия питания, соединяющая заземляющую плоскость, немного сложна, поскольку для этого потребуется просверлить отверстие в подложке. Этот метод подачи очень прост в изготовлении и имеет меньше паразитного излучения. Но его главный недостаток заключается в том, что он подключается к разъему заземления.

Бесконтактная подача

Мощность подается на излучающий элемент от питающей линии с помощью электромагнитной связи. Эти методы подачи доступны в трех типах; С апертурной связью, с бесконтактной связью и с ответвительной линией.

Апертурно-связанная подача

Метод апертурного питания включает в себя две диэлектрические подложки, такие как диэлектрическая подложка антенны, и диэлектрическую подложку питания, которые разделены просто плоскостью заземления и имеют зазор посередине. Металлическая накладка расположена над подложкой антенны, тогда как заземляющая плоскость расположена на другой стороне диэлектрика антенны. Для обеспечения изоляции линия питания и диэлектрик питания расположены на другой стороне заземляющего слоя.

Этот метод подачи обеспечивает выдающуюся чистоту поляризации, недостижимую другими методами подачи. Подача пары апертур обеспечивает высокую пропускную способность и чрезвычайно полезна в приложениях, где мы не хотим использовать провода от одного слоя к другому. Основным недостатком этого метода подачи является необходимость многослойного изготовления.

Бесконтактная подача

Бесконтактное питание также называется непрямым питанием, когда земляной слой отсутствует. По сравнению с апертурной фидерной антенной она очень проста в изготовлении. На проводящей стороне антенны имеется прорезь, а связь обеспечивается микрополосковой линией.

Этот метод питания обеспечивает низкий уровень паразитного излучения и огромную пропускную способность. Линия питания в этом методе располагается между двумя диэлектрическими подложками. Край питающей линии располагается в той точке, где входное сопротивление микрополосковой антенны составляет 50 Ом. Этот метод подачи имеет повышенную эффективность использования полосы пропускания по сравнению с другими типами методов. Основным недостатком этого метода является; возможно многослойное изготовление, но оно обеспечивает плохую поляризационную чистоту.

Подача ответвления

В методе подачи ответвленной линии проводящая полоска напрямую подключается к краю патча микрополоски. По сравнению с патчем ширина проводящей полосы меньше. Основное преимущество этой техники кормления: что материал травится на аналогичной подложке для получения плоской структуры.

В патч можно интегрировать вставку, чтобы получить превосходное согласование импедансов без необходимости использования какого-либо дополнительного согласующего элемента. Этого можно достичь, правильно контролируя положение вставки, в противном случае мы можем вырезать слот и вытравить его из патча подходящего размера. Кроме того, этот метод подачи используется и называется методом ответвленной подачи.

Диаграмма направленности микрополосковой антенны

Графическое представление свойств излучения антенны известно как диаграмма направленности, которая объясняет, как антенна излучает энергию в космос. Изменение мощности как функции угла прихода отслеживается в дальней зоне антенны.

Диаграмма направленности микрополосковой антенны широкая, она имеет меньшую мощность излучения и узкую полосу пропускания по частоте. Ниже показана диаграмма направленности микрополосковой антенны, которая имеет меньшую направленность. Используя эти антенны, можно сформировать решетку с превосходной направленностью.

Характеристики

характеристики микрополосковой антенны включая следующее.

• Участок микрополосковой антенны должен представлять собой чрезвычайно тонкую проводящую область.
• По сравнению с патчем заземляющая плоскость должна иметь довольно большие размеры.
• Фототравление на подложке выполняется для построения излучающего элемента и линий питания.
• Толстая диэлектрическая подложка с диэлектрической проницаемостью в диапазоне от 2,2 до 12 обеспечивает превосходные характеристики антенны.
• Массивы микрополосковых элементов в конструкции микрополосковой антенны обеспечивают превосходную направленность.
• Микрополосковые антенны обеспечивают большую ширину луча.
• Эта антенна обеспечивает чрезвычайно высокое качество, поскольку высокая добротность приводит к низкой эффективности и небольшой полосе пропускания. Но это можно компенсировать, просто увеличив ширину подложки. Однако увеличение ширины сверх определенного предела приведет к ненужной потере мощности.

Преимущества и недостатки

Преимущества микрополосковой антенны включая следующее.

• Микрополосковые антенны очень маленькие.
• Вес этой антенны меньше.
• Процедура изготовления этой антенны проста.
• Его установка очень проста из-за его небольшого размера и объема.
• Он предлагает простую интеграцию с другими устройствами.
• Эта антенна может выполнять операции на двойной и тройной частоте.
• Эти антенные решетки можно легко построить.
• Эта антенна обеспечивает высокую надежность над твердыми поверхностями.
• Его легко изготовить, настроить и модифицировать.
• Эта антенна имеет простую и недорогую конструкцию.
• В этой антенне достижима линейная и круговая поляризация.
• Подходит для антенных решеток.
• Он совместим с монолитными микросхемами СВЧ.
• Пропускную способность можно расширить, просто улучшив ширину диэлектрического материала.

Недостатки микрополосковых антенн включая следующее.

• Эта антенна обеспечивает меньшее усиление.
• Эффективность антенны этого типа низкая из-за потерь в проводнике и диэлектрике.
• Эта антенна имеет высокий диапазон кроссполяризационного излучения.
• Мощность этой антенны низкая.
• Он имеет меньшую полосу сопротивления.
• Структура этой антенны исходит от каналов и других точек соединения.
• Эта антенна чрезвычайно чувствительна к экологическим факторам.
• Эти антенны более склонны к фальсифицированному излучению.
• Эта антенна имеет больше потерь в проводнике и диэлектрике.

Приложения

использует или применение микрополосковых антенн включая следующее.

• Микрополосковые антенны применимы в разных областях; в ракетах, спутники , космические корабли, самолеты, системы беспроводной связи, мобильные телефоны, дистанционное зондирование и радары.
• Эти антенны используются в беспроводной связи. чтобы показать совместимость с портативными устройствами, такими как мобильные телефоны и пейджеры.
• Они используются на ракетах в качестве антенн связи.
• Эти антенны имеют небольшой размер, поэтому используются в микроволновой и спутниковой связи.
• GPS Это одно из основных преимуществ микрополосковых антенн, поскольку оно упрощает отслеживание транспортных средств и морской пехоты.
• Они используются в фазированной решетке. радары для обработки допуска пропускной способности, равного некоторому проценту.

Как улучшить полосу пропускания микрополосковой антенны?

Полоса пропускания микрополосковой антенны может быть увеличена с помощью различных методов, таких как увеличение толщины подложки за счет низкой диэлектрической проницаемости, вырезание пазов, подача зонда через вырезы и различные формы антенны.

Почему микрополосковые антенны излучают?

Микрополосковые патч-антенны излучают в основном из-за краевых полей между краем патча и плоскостью заземления.

Как увеличить коэффициент усиления микрополосковой антенны?

Усиление микрополосковой антенны можно увеличить с помощью паразитной заплаты и воздушного зазора между облучателем и плоскостью заземления.

Таким образом, это обзор микрополосковой антенны , работа и ее приложения. Эта антенна является вполне современным изобретением, позволяющим удобно интегрировать антенну и другие схемы управления системой связи на обычной печатной плате (или) полупроводниковом чипе. Они широко используются в широком спектре современных микроволновых систем в диапазоне гигагерц. Основные преимущества этой антенны: легкий, недорогой, конформной формы и совместимость с монолитными и гибридными микросхемами СВЧ. Вот вам вопрос: что такое дипольная антенна ?