Patch antenna

Az oldal jelenlegi verzióját még nem nézték át tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2018. augusztus 2-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

Patch antenna _ _ _ _ _ _ _ _ A patch antenna egy vékony, lapos fémlemezből ("patch") áll, amely kis (0,01...0,1λ) távolságban, párhuzamosan helyezkedik el a lapos fémképernyővel. A patch és a képernyő közötti rés kitölthető dielektromos réteggel (ε = 2,5…10, tgδ = 10 -3 …10 -2 ), maga az antenna pedig nyomtatott áramköri technológiával ( microstrip vagy printed patch ) készíthető antenna). A folt általában téglalap alakú, és a téglalap sugárzó oldalai közötti távolság (azaz a nem kibocsátó oldalak hossza) közel van a működési hullámhossz feléhez (ε figyelembevételével).

Az áramellátást a képernyőn áthaladó tű (például a koaxiális vonal jelvezetőjének folytatása) és a téglalap középpontjától annak egyik sugárzó oldala felé eltolva, vagy egy mikroszalagos vezeték, a jelvezető biztosítja. amelynek a foltsíkban helyezkedik el és megközelíti annak egyik sugárzó oldalát. Mindkét esetben a gerjesztő vezetők elektromosan csatlakoznak a patch-hez. Ismeretes egy elektrodinamikus módszer is a foltnak a képernyőn lévő résen keresztül történő gerjesztésére. A kibocsátott elektromágneses hullám polarizációja a patch normál irányában közel lineáris, az ismert műszaki megoldások lehetővé teszik a körkörös polarizációjú hullám kialakítását. A legegyszerűbb kivitelű patch antenna keskeny sávú (<5%), de speciális műszaki megoldások lehetővé teszik az üzemi frekvenciasáv akár 50%-os vagy annál nagyobb bővítését, vagy többsávos antennák építését.

A patch antenna működési elve a patch alatti térfogatban a TM 10 mód rezonanciáján , a patch két ellentétes oldala mentén lévő résekben elektromos tér gerjesztésen alapul , ami egyirányú irányúnak tekinthető. egyenértékű mágneses áram áramlása ezen oldalak mindegyikén, és egy elektromágneses hullám gerjesztése a mágneses tér e két szakasza által. A patch antenna működése hasonló egy pár, egymással párhuzamos fázisú résantennához , amelyeket kis (< λ/2) távolság választ el egymástól. A hagyományos kialakítású patch antennában a keresztpolarizációs sugárzás a patch oldalai mentén, a főre keresztirányban (azaz a fő polarizációnál sugárzást hozva), beleértve a TM 02 módot is, a mágneses áram sugárzásának köszönhető . Ezt a sugárzást csak az E és H síkban kompenzálja az interferencia, és az átlós síkban éri el a maximumot (-10 dB).

A patch antennáknak sok fajtája különbözik a gerjesztés módjától, az illeszkedő elemek jelenlététől (rések a foltban stb.), a foltok alakjától (téglalap alakú, kerek stb.), számuk egy emitterben ( egy vagy több, általában legfeljebb három), kölcsönös elrendezés (egysíkú, verem) és a kölcsönös kapcsolódás módja (elektromos csatlakozás, elektrodinamikus csatlakozás) stb., amelyek bizonyos problémákat megoldanak és műszaki jellemzőikben különböznek. A patch antennák technológiailag fejlettek, könnyen gyárthatók, olcsók, kényelmesen használhatók antennatömb sugárzó elemeként , beleértve a légi radarok antennáit, a GSM mobilkommunikációs bázisállomásokat , a műholdas televízió vételére szolgáló lapos antennákat stb. A VHF sávban , patch antenna különálló eszközként is gyártható, védve a külső hatásoktól. Egy ilyen eszköz testének a folttal szembeni része rádiós átlátszóvá van készítve.

Antenna tervezés

A legegyszerűbb patch antenna egy négyzet alakú lebeny, amelynek oldala megegyezik a hullámhossz felével, és a nagyobb földlemez felett helyezkedik el. Minél nagyobb az alaplap, annál jobb az antenna irányíthatósága és annál nagyobb a mérete. Egy tányér földből gyakran csak egy sziromnál valamivel többet készítenek. Az áram ugyanabban az irányban folyik, mint a betápláló, így a vektorpotenciál és ennek megfelelően az elektromos tér követi az áramot, amint azt az ábrán az E nyíl jelzi . Egy egyszerű patch antenna lineárisan polarizált hullámot sugároz. Kisugárzása az antenna szélein lévő két résből származó sugárzásnak, vagy ennek megfelelően a lebenyben és a földlemezben folyó áram eredményeként tekinthető.

Gain

Egy téglalap alakú mikrocsíkos levegődielektromos patch antenna erősítését nagyjából a következőképpen becsülhetjük meg. Mivel a lebeny a hullámhossz fele, a lebeny félhullámú dipólusnak tekinthető, amely körülbelül 2 dB erősítést ad a lebeny függőleges tengelyében. Ha a lebeny négyzet alakú, akkor két félhullámú dipólusnak tekinthető, amelyeket egy negyed hullámhossz választ el egymástól, ami további 2-3 dB erősítést ad. A földelőlemez leárnyékolja az antenna hátoldaláról érkező sugárzást és felére csökkenti az átlagos kisugárzott teljesítményt, ami további 2-3 dB-t ad. Mindezt összeadva 7-9 dB patch antenna erősítést kapunk, ami jó egyezést mutat a szigorúbb becslésekkel.

Sugárzási minta

Az alábbiakban egy lineárisan polarizált 900 MHz -es patch antenna tipikus sugárzási mintája látható. Az ábrán egy metszet látható vízszintes síkban. A függőleges minta hasonló, de nem azonos. A grafikon skálája logaritmikus, így például a 180°-os (a függőleges tengelytől balra 90°-ban) kisugárzott teljesítmény 15 dB-lel kisebb, mint a főlebeny teljesítménye. A főlebeny szélessége kb. 65°, az erősítés a nyaláb irányában 9 dBi . Egy végtelenül nagy alaplap teljesen leárnyékolja a hátsó féltekét (180°-tól 360°-ig), azonban egy valódi antenna alaplapja véges méretű. Ezért a fordított irányú sugárzási teljesítmény (hátsó lebeny) csak körülbelül 20 dB-lel kisebb, mint a fő lebeny sugárzási teljesítménye.

Sávszélesség

A patch antenna sávszélessége nagymértékben függ a lebeny és a talaj közötti távolságtól. Minél közelebb van a lebeny a talajhoz, annál kevesebb energiát sugároznak ki, és több tárolódik a kapacitásban és az induktivitásban, és annál magasabb az antenna minőségi tényezője . Nagyjából egy antenna sávszélessége a következő képlettel becsülhető meg:

,

ahol a lebeny távolsága a talajtól, a lebeny szélessége (általában a hullámhossz fele), a lebeny és a talaj közötti légrés impedanciája , valamint az antenna sugárzási ellenállása . Az antenna relatív sávszélessége lineárisan függ a vastagságától. A légrés impedanciájának jellemző értéke 377 ohm, a sugárzási ellenállása 150 ohm, ami lehetővé teszi a képlet egyszerűsítését :

Egy 900 MHz-es négyzet alakú lebeny esetében ez körülbelül 16 cm. Egy 1,6 cm-es antennavastagság 1,2 (1,6/16) ≈ 12% vagy 120 MHz relatív sávszélességet adna.

A patch antennák könnyen nyomtathatók. Ebben az esetben kicsit kompaktabbak, de mivel vékonyabbak, a sávszélesség is csökken a Q faktor növekedése miatt. Így az antenna sávszélessége fordítottan arányos a hordozó effektív permittivitásának négyzetgyökével . Az is világos, hogy a sávszélesség a hordozóvastagság növekedésével nő. A nyomtatott patch antenna jellemző sávszélessége néhány százalék. A valódi patch antennák alaplemeze gyakran csak valamivel nagyobb, mint a lebeny, ami szintén csökkenti a hatékonyságot. Az antenna meghajtásának módja is befolyásolja a sávszélességét.

A téglalap alakú (nem négyzet alakú) antennák segítségével legyező alakú sugárzási mintázat hozható létre, amelyben a függőleges és vízszintes lebenyszélesség jelentősen eltér. A négyzet alakú szirmok mellett kerek vagy sokszögű szirmok is használhatók. Az ilyen antennák sugárzási jellemzőinek kiszámítása sokkal bonyolultabb.

Körkörös polarizáció

Lehetőség van patch antenna gyártására körkörös polarizációval. Az egyik módja az, hogy egy közönséges négyzet alakú lebenyet két pontból táplálunk 90°-kal fázison kívül. Ebben az esetben, amikor mondjuk a függőleges áramerősség a maximumon van, a vízszintes áram 0. Egy negyed ciklus múlva a helyzet megfordul, és a mező vízszintessé válik. A kisugárzott mező az időben forogni fog, így a polarizációja kör alakú lesz. Két betáplálási pont közötti fáziseltolódás mértékének változtatásával bármilyen polarizáció elérhető, a lineáristól a körkörösig. Egy másik módja a körkörös polarizáció elérésének, ha egy négyzet alakú lebenyet egy pontból táplálunk, de aszimmetrikus rést vagy más alakú lyukat vágunk bele az áram irányának eltolása érdekében. Érdemes megjegyezni, hogy bár a koronglebenyek használhatók ehhez a technikához, nem feltétlenül cirkulárisan polarizáltak. Például egy szimmetrikus koronglebeny, amelyet egy ponton táplálnak, lineárisan polarizált hullámokat bocsát ki. Végül, ha egy majdnem négyzet alakú szirmot, amelynek hossza valamivel hosszabb és szélessége valamivel kisebb, mint a hullámhossz fele, egy szögpontban betáplálunk, akkor sugárzásának polarizációja körkörös lesz.

Irodalom

Jegyzetek