Patch-antenni

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 2. elokuuta 2018 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Patch- antenni _ _ _ _ _ _ _ _ Patch-antenni koostuu ohuesta litteästä metallilevystä ("patch"), joka sijaitsee pienellä (0,01...0,1λ) etäisyydellä litteän metallinäytön kanssa. Laastarin ja näytön välinen rako voidaan täyttää dielektrisellä kerroksella (ε = 2,5…10, tgδ = 10 -3 …10 -2 ), ja itse antenni voidaan valmistaa piirilevyteknologialla ( mikroliuska tai painettu ).Patch-antenni). Laastari on pääsääntöisesti suorakaiteen muotoinen ja suorakulmion säteilevien sivujen välinen etäisyys (eli ei-emittoivien sivujen pituus) on lähes puolet toimintaaallonpituudesta ( ε huomioon ottaen).

Virta syötetään nastasta, joka kulkee ruudun läpi (joka on esimerkiksi jatke koaksiaalilinjan signaalijohtimelle) ja on siirretty suorakulmion keskustasta kohti sen säteilevää sivua, tai mikroliuskajohdosta, signaalijohdin joka sijaitsee paikkatasossa ja lähestyy yhtä sen säteilevistä puolista. Molemmissa tapauksissa jännittävät johtimet on kytketty sähköisesti paikkaan. Tunnetaan myös elektrodynaaminen menetelmä laastarin virittämiseksi näytössä olevan raon kautta. Säteilevän sähkömagneettisen aallon polarisaatio pisteen normaalin suunnassa on lähellä lineaarista, tunnetut tekniset ratkaisut mahdollistavat ympyräpolarisaatiolla olevan aallon muodostamisen. Yksinkertaisimman mallin patch-antenni on kapeakaistainen (<5 %), mutta tekniset erityisratkaisut mahdollistavat toimintataajuuskaistan laajentamisen jopa 50 % tai enemmän tai monikaistaisten antennien rakentamisen.

Patch-antennin toimintaperiaate perustuu TM 10 -moodin resonanssiin paikan alla olevassa tilavuudessa, sähkökentän virittymiseen patchin kahdella vastakkaisella puolella olevissa aukoissa, jota voidaan pitää samansuuntaisena. vastaavan magneettivirran virtaus kutakin näistä sivuista pitkin ja sähkömagneettisen aallon viritys näiden kahden magneettikentän osan avulla. Patch-antennin toiminta on samanlainen kuin samanvaiheisen väliantennin parin, jotka ovat rinnakkain toistensa kanssa ja joita erottaa pieni (< λ/2) etäisyys. Perinteisen antennin ristipolarisaatiosäteily johtuu magneettivirran säteilystä paikan sivuja pitkin, poikittain pääpolarisaatioon nähden (eli muodostaen säteilyä pääpolarisaatiossa), mukaan lukien TM 02 -moodi . Tämä säteily kompensoituu häiriöillä vain E- ja H -tasoilla ja saavuttaa maksimin (-10 dB) diagonaalitasoissa.

Patch-antenneja on monia lajikkeita, jotka eroavat herätemenetelmästä, yhteensopivien elementtien läsnäolosta (paikassa olevat raot jne.), laastarien muodosta (suorakulmainen, pyöreä jne.), niiden lukumäärästä yhdessä emitterissä ( yksi tai useampi, pääsääntöisesti enintään kolme ), keskinäinen järjestely (samatasoinen, pino) ja keskinäinen kytkentämenetelmä (sähköliitäntä, sähködynaaminen kytkentä) jne., jotka ratkaisevat tietyt ongelmat ja eroavat teknisiltä ominaisuuksiltaan. Patch-antennit ovat teknisesti edistyksellisiä, helppoja valmistaa, halpoja, käteviä käytettäväksi antenniryhmän säteilevänä elementtinä , mukaan lukien antennit lentotutkille, tukiasemat GSM - matkaviestintään , litteät antennit satelliittitelevision vastaanottoon jne. VHF-kaistalla Patch-antenni voidaan valmistaa erillisenä laitteena, joka on suojattu ulkoisilta vaikutuksilta. Tällaisen laitteen rungon laastaria vastapäätä oleva osa on tehty radioläpinäkyväksi.

Antennisuunnittelu

Yksinkertaisin patch-antenni on neliömäinen keila, jonka sivu on yhtä suuri kuin puolet aallonpituudesta ja joka sijaitsee suuremman maalevyn yläpuolella. Mitä suurempi maadoituslevy on, sitä parempi on antennin suuntaavuus ja sitä suuremmat sen mitat. Usein maalevystä tehdään vain hieman terälehteä. Virta kulkee samaan suuntaan kuin syöttö, joten vektoripotentiaali ja vastaavasti sähkökenttä seuraavat virtaa, kuten kuvassa nuoli E osoittaa . Yksinkertainen patch-antenni säteilee lineaarisesti polarisoitua aaltoa. Sen säteilyä voidaan pitää säteilynä kahdesta antennin reunoilla olevasta raosta tai vastaavasti keilassa ja maadoituslevyssä kulkevan virran seurauksena.

Gain

Suorakaiteen muotoisen mikroliuskailmadielektrisen patch-antennin vahvistus voidaan karkeasti arvioida seuraavasti. Koska keila on puolet aallonpituudesta, keilaa voidaan pitää puoliaaltodipolina , joka antaa noin 2 dB vahvistusta keilan pystyakselilla. Jos keila on neliömäinen, sitä voidaan pitää kahtena puoliaaltodipolina, jotka erotetaan neljäsosan aallonpituudesta, jolloin saadaan vielä 2-3 dB vahvistusta. Maadoituslevy suojaa antennin takaa tulevalta säteilyltä ja alentaa keskimääräistä säteilytehoa puoleen, mikä antaa vielä 2-3 dB. Kun kaikki lasketaan yhteen, saadaan patch-antennin vahvistus 7-9 dB, mikä on hyvin sopusoinnussa tiukempien arvioiden kanssa.

Säteilykuvio

Lineaarisesti polarisoidun 900 MHz patch-antennin tyypillinen säteilykuvio on esitetty alla. Kuvassa on leikkaus vaakatasossa. Pystysuuntainen kuvio on samanlainen, mutta ei identtinen. Kuvaajan asteikko on logaritminen, joten esimerkiksi 180°:n suunnassa (90° pystyakselista vasemmalle) säteilevä teho on 15 dB pienempi kuin pääkeilan teho. Pääkeilan leveys on noin 65°, vahvistus säteen suunnassa on 9 dBi . Äärettömän suuri maadoituslevy suojaa täysin takapuolipallon (180° - 360°), mutta oikean antennin maadoituslevyllä on rajalliset mitat. Siksi säteilyteho vastakkaisessa suunnassa (takakeila) on vain noin 20 dB pienempi kuin pääkeilan säteilyteho.

Kaistanleveys

Patch-antennin kaistanleveys riippuu suuresti keilan ja maan välisestä etäisyydestä. Mitä lähempänä keila maata, sitä vähemmän energiaa säteilee ja enemmän varastoituu kapasitanssiin ja induktanssiin, ja sitä korkeampi on antennin laatutekijä . Karkeasti ottaen antennin kaistanleveys voidaan arvioida kaavalla:

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

missä on etäisyys keikasta maahan, on keilan leveys (yleensä puolet aallonpituudesta), on keilan ja maan välisen ilmavälin impedanssi ja on antennin säteilyvastus . Antennin suhteellinen kaistanleveys riippuu lineaarisesti sen paksuudesta. Ilmavälin impedanssin ominaisarvo on 377 ohmia ja säteilyvastus 150 ohmia, mikä mahdollistaa kaavan yksinkertaistamisen $d$ $W$ $Zo$ $Rad$ :

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

900 MHz:n neliömäiselle keilalle tämä olisi noin 16 cm. 1,6 cm:n antennin paksuus antaisi suhteellisen kaistanleveyden 1,2 (1,6/16) ≈ 12 % tai 120 MHz. $W$

Patch-antennit on helppo tulostaa. Tässä tapauksessa ne ovat hieman kompaktimpia, mutta koska ne ovat ohuempia, myös kaistanleveys pienenee Q-tekijän kasvun vuoksi. Siten antennin kaistanleveys on kääntäen verrannollinen substraatin efektiivisen permittiivisyyden neliöjuureen . On myös selvää, että kaistanleveys kasvaa substraatin paksuuden kasvaessa. Painetun patch-antennin tyypillinen kaistanleveys on muutama prosentti. Usein todellisten patch-antennien maadoituslevy on vain hieman suurempi kuin keila, mikä myös vähentää tehokkuutta. Antennin käyttötapa vaikuttaa myös sen kaistanleveyteen.

Suorakaiteen muotoisia (ei-neliömäisiä) antenneja voidaan käyttää viuhkamaisen säteilykuvion tuottamiseen, jossa pysty- ja vaakakeilan leveydet ovat merkittävästi erilaisia. Neliömäisten terälehtien lisäksi voidaan käyttää myös pyöreitä tai monikulmaisia terälehtiä. Tällaisten antennien säteilyominaisuuksien laskeminen on paljon monimutkaisempaa.

Pyöreä polarisaatio

On mahdollista valmistaa pyöreäpolarisaatiolla varustettu patch-antenni. Yksi tapa on syöttää tavallinen neliömäinen keila kahdesta pisteestä 90° epävaiheessa. Tässä tapauksessa, kun esimerkiksi pystyvirta on maksimissaan, vaakavirta on 0. Neljännesjakson kuluttua tilanne kääntyy ja kenttä muuttuu vaakasuuntaiseksi. Säteilykenttä pyörii ajassa, joten sen polarisaatio on pyöreä. Vaiheensiirron määrää muuttamalla kahden syöttöpisteen välillä voidaan saavuttaa mikä tahansa polarisaatio lineaarisesta ympyrään. Toinen tapa saavuttaa ympyräpolarisaatio on syöttää neliömäinen keila yhdestä pisteestä, mutta leikata siihen epäsymmetrinen rako tai muun muotoinen reikä virran suunnan siirtämiseksi. On syytä huomata, että vaikka levykeiloja voidaan käyttää tähän tekniikkaan, ne eivät välttämättä ole ympyräpolarisoituja. Esimerkiksi yhdessä pisteessä syötetty symmetrinen levykeila lähettää lineaarisesti polarisoituneita aaltoja. Lopuksi, jos lähes neliömäinen terälehti, jonka pituus on hieman pidempi ja leveys hieman alle puolet aallonpituudesta, syötetään kulmapisteessä, sen säteilyn polarisaatio on pyöreä.

Kirjallisuus

Antennateoria (3. painos), C. Balanis, Wiley 2005
Antennitekniikan käsikirja, toim. R. Johnson, McGraw-Hill 1993
Mikroliuska-antennit, B. A. Panchenko, E. I. Nefedov, M., Radio and Communication 1986)