Коэффициент усиления микрополосковой антенны

7. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПОЛОСКОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Цели работы – экспериментальное исследование характеристик простой 9-элементной МПАР: диаграммы направленности в основных сечениях, частотной зависимости КСВ на входе, уровне боковых лепестков, ширины главного лепестка ДН, а также теоретический расчет диаграммы направленности на основе упрощенной математической модели или с помощью стандартных универсальных пакетов программ.

7.1. Общие сведения

Микрополосковые (печатные) антенны (МПА) и микрополосковые антенные решетки (МПАР) в последнее время получили заметное распространение в массовых телекоммуникационных системах. Прежде всего это обусловлено их низкой стоимостью, высокой технологичностью, малой массой. Благодаря этим качествам МПАР в ряде случаев (прежде всего в тех радиосистемах, где не требуется высокий уровень излучаемой мощности и широкая полоса частот) успешно конкурируют с антенными решетками других типов – волноводными, волноводно-щелевыми, вибраторными и т. д. Сущ е- ственным недостатком простейших однослойных МПАР, ограничивающим их применение, является узкая полоса рабочих частот.

Применяются МПА разнообразных форм, из которых наиболее распространенными являются прямоугольная (рис. 7.1, а – вид излучателя, б – распределение тока по излучателю) или дисковая (рис. 7.2). В большинстве случаев

прямоугольная или дисковая МПА, имеющая одну точку питания, создает поле линейной поляризации. Это видно из картины распределения токов (рис. 7.1, б ).

Для улучшения направленных свойств простейшие МПА объединяют в антенные решетки, примером является МПАР миллиметрового диапазона, выполненная по параллельной схеме питания (рис. 7.3).

В данной лабораторной работе иссле-

дуются характеристики МПАР из девяти пря-

моугольных элементов, выполненной по па-

раллельно-последовательной схеме (рис. 7.4).

Представление о конструкции исследу-

емой МПАР дает фото на рис. 7.5. Материа-

лом подложки является пенополиэтилен с

относительной диэлектрической проницае-

мостью около единицы и толщиной 5 мм.

Металлизация антенны (медь) нанесена на

тонкий слой диэлектрического

материала (стеклотекстолит с толщиной

Одиночные прямоугольные элементы МПАР имеют размер по узкой стороне около половины длины волны (с учетом замедления волны в диэлектрике подложки) и при питании подводящей микрополосковой линией с широкой стороны имеют довольно высокое входное сопротивление (около 160…300 Ом в зависимости от ширины элемента и электрической толщины подложки). При этом токи по элементу текут в направлении, параллельном узкой стенке (рис. 7.1, б ), создавая в дальней зонеполе линейной поляризации.

Последовательное включение таких элементов через отрезок линии длиной около половины длины волны обеспечивает синфазное возбуждение всех излучателей. Для согласования входных сопротивлений трех последовательно соединенных элементов с питающей линией применен согласующий четвертьволновый трансформатор.

Три последовательные линейки включены параллельно, средняя линейка элементов имеет специально изогнутый отрезок линии, длина которого подобрана определенным образом с целью обеспечения синфазности токов в каждой линейке. Таким образом, все девять элементов данной МПАР возбуждены синфазно с амплитудным распределением, незначительно отличающимся от равномерного.

7.2. Математическое описание МПА

Математическое моделирование МПА следует выполнять на основе решения интегрального уравнения относительно двумерного распределения токов по плоскости антенны с ядром, зависящим от свойств материала подложки, такой подход является наиболее точным и реализован в ряде стандартных пакетов (MWOffice, Agilent и др.). Вместе с тем, существует ряд упрощенных подходов к расчету характеристик МПА, позволяющих с инженерной точностью оценить основные полевые характеристики. Одним из таких подходов является метод, разработанный Дернеридом, сводящийся к аналогии между МПА и отрезком длинной линии, нагруженным с двух сторон на резистивные и емкостные элементы. Резистивные элементы эквивалентны потерям на излучение, двух щелей с длиной равной ширине МПА W (рис. 7.1, а ), расположенных на расстоянии равном длине элемента L , емкостные элементы описывают краевой эффект (емкость между концом полосковой линии передачи и проводящим основанием).

Резонансная частота F r прямоугольной МПА зависит от геометрии антенны (прежде всего длины элемента L ) и диэлектрической проницаемости

Источник

Патч антенна

Патч антенна — популярный тип узкополосной СВЧ антенны состоящей из плоского металлического лепестка, закрепленного на некотором расстоянии параллельно пластине земли. Обычно, эту конструкцию заключают в пластиковый радиопрозрачный кожух, как для защиты от механических повреждений, так и из эстетических соображений. Такие антенны просты в изготовлении и легко могут быть модифицированы под определенные технические условия. Патч антенна может использоваться как отдельное устройство так и в качестве облучателя для построения более эффективных систем на основе параболлических отражателей. Патч антенны очень похожи на микрополосковые антенны, которые есть ни что иное, как патч антенны размещенные на диэлектрической подложке.

Содержание

Конструкция антенны

Простейшая патч антенна представляет собой квадратный лепесток со стороной равной половине длины волны расположенный над большей по размеру пластине земли. (Чем больше пластина земли, тем лучше направленность антенны и больше ее габариты. Нередко пластину земли делают лишь немногим больше лепестка.) Ток протекает в том же направлении, что и фидер, так, что векторный потенциал и, соответственно, электрическое поле следуют за током, как обозначено на рисунке стрелкой E. Простая патч антенна излучает линейно поляризованную волну. Ее излучение может быть рассмотрено как излучение двух щелей по краям антенны или, эквивалентно, как результат протекание тока в лепестке и пластине земли.

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления прямоугольной микрополосковой патч антенны с воздушным диэлектриком может быть грубо оценен следующим образом. Поскольку длина лепестка равна половине длины волны, лепесток можно предствать как полуволновой диполь, что дает около 2 dB усиления в вертикальной оси лепестка. Если лепесток квадратный, его можно рассматривать как два полуволновых диполя, разнесенных на четверть длины волны, что дает еше 2-3 dB усиления. Пластина земли экранирует излучение с обратной стороны антенны, и сокращает среднюю по объему излучаемую мощность вдвое, что дает еще 2-3 dB. Сложив все вместе, получим коэффициент усилиения патч антенны равный 7-9 dB, что неплохо согласуется с более строгими оценками.

Диаграмма направленности

Типичная диаграмма направленности линейно-поляризованной патч антенны на 900 МГц показана ниже. На рисунке показано сечение в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости похожа, но не идентична. Масштаб графика логарифмический, так что, например, мощность, излучаемая в направлении 180° (90° влево от вертикальной оси) на 15 dB меньше мощности основного лепестка. Ширина основного лепестка около 65°, коэффициент услиения в направлении луча 9 dBi. Бесконечно большая пластина земли полностью экранирует заднюю полусферу (от 180° до 360°), однако, пластина земли реальной антенны имеет конечные размеры. Поэтому мощность излучения в обратном направлении (задний лепесток диаграммы направленности) меньше мощности излучения основного лепестка всего лишь примерно на 20 dB.

Полоса пропускания

Ширина полосы пропускания патч антенны сильно зависит от расстояния между лепестком и землей. Чем ближе лепесток к земле, тем меньше энергии излучается и больше запасается в емкости и индуктивности и тем выше добротность антенны. Грубо, полосу пропускания антенны можно оценить по формуле:

, где d — расстояние от лепестка до земли (), W — ширина лепестка (обычно половина длины волны), Zo — импеданс воздушного промежутка между лепестком и землей, а Rrad — cопротивление излучения антенны. Относительная полоса пропускания антенны линейно зависит от ее толщины. Характерное значение импеданса воздушного промежутка 337 Ом, а сопротивления излучения 150 Ом, что позволяет упростить формулу:

Для квадратного лепестка на 900 МГц, W будет приблизительно 16 см. Толщина антенны в 1.6 см даст относительную ширину полосы пропускания в 1.2(1.6/16) ≈ 12%, или 120 МГц.

Патч антенны легко изготавливать печатным способом. В этом случе они получаются немного компактнее, но, поскольку их толщина меньше, полоса пропускания также уменьшаестся из-за увеличения добротности. Уменьшение полосы пропускания пропорционально диэлектрической проницаемости подложки. Характерная ширина полосы пропускания печатной патч антенны составляет единицы процентов. Часто, пластина земли реальных патч антенн лишь немного больше лепестка, что также уменьшает эффективность. Способ возбуждения антенны также влияет на ее полосу пропускания.

Прямоугольные (не квадратные) антенны могут быть использованы для получения веерной диаграммы направленности, у которой ширина вертикального и горизонтального лепестков существенно различаются. Кроме квадратных, могут также использоваться круглые или многоугольные лепестки. Расчет излучающих характеристик таких антенн значительно сложнее.

Круговая поляризация

Возможно изготовить патч антенну с круговой поляризацией. Один из способов, питать обычный квадратный лепесток из двух точек, отстающих по фазе на 90°. В этом случае, когда, скажем, вертикальный ток максимален, горизонтальный ток равен 0. Четверть цикла спустя, ситуация становится обратной и поле становится горизонтальным. Излучаемое поле будет вращаться во времени, таким образом его поляризация будет круговой. Меняя величину фазового сдвига между двумя точками питания, можно добиться любой поляризации, от линейной до круговой. Другой способ добиться круговой поляризации, это питать квадратный лепесток из одной точки, но прорезать в нем асимметричную щель или отверстие иной формы для того чтобы сместить направление тока. Стоит отметить, что хотя дисковые лепестки и могут использоваться для такой техники они не обязательно имеют круговую поляризацию. Например, симметричный дисковый лепесток, питаемый в одной точке, излучает линейно поляризованные волны. Наконец, если почти квадратный лепесток, у которого длина немногим больше, а ширина немногим меньше половины длины волны питать в точке угла, то поляризация его излучения будет круговой.

Источник

Патч-антенна

Патч-антенна — тип узкополосной СВЧ антенны, состоящей из плоского металлического лепестка, закрепленного на некотором расстоянии параллельно пластине земли. Обычно, эту конструкцию заключают в пластиковый радиопрозрачный кожух, как для защиты от механических повреждений, так и из эстетических соображений. Такие антенны просты в изготовлении и легко могут быть модифицированы под определенные технические условия. Патч-антенна может использоваться как отдельное устройство, так и в качестве облучателя для построения более эффективных систем на основе параболлических отражателей. Патч-антенны очень похожи на микрополосковые антенны, которые есть ни что иное, как патч-антенны, размещенные на диэлектрической подложке.

Содержание

Конструкция антенны

Простейшая патч-антенна представляет собой квадратный лепесток со стороной равной половине длины волны, расположенный над большей по размеру пластине земли. Чем больше пластина земли, тем лучше направленность антенны и больше ее габариты. Нередко пластину земли делают лишь немногим больше лепестка. Ток протекает в том же направлении, что и фидер, так, что векторный потенциал и, соответственно, электрическое поле следуют за током, как обозначено на рисунке стрелкой E. Простая патч-антенна излучает линейно поляризованную волну. Ее излучение может быть рассмотрено как излучение двух щелей по краям антенны или, эквивалентно, как результат протекание тока в лепестке и пластине земли.

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления прямоугольной микрополосковой патч-антенны с воздушным диэлектриком может быть грубо оценен следующим образом. Поскольку длина лепестка равна половине длины волны, лепесток можно предствать как полуволновой диполь, что дает около 2 дБ усиления в вертикальной оси лепестка. Если лепесток квадратный, его можно рассматривать как два полуволновых диполя, разнесенных на четверть длины волны, что дает ещё 2-3 дБ усиления. Пластина земли экранирует излучение с обратной стороны антенны и сокращает среднюю по объему излучаемую мощность вдвое, что дает еще 2-3 дБ. Сложив все вместе, получим коэффициент усиления патч-антенны равный 7-9 дБ, что неплохо согласуется с более строгими оценками.

Диаграмма направленности

Типичная диаграмма направленности линейно-поляризованной патч-антенны на 900 МГц показана ниже. На рисунке показано сечение в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости похожа, но не идентична. Масштаб графика логарифмический, так что, например, мощность, излучаемая в направлении 180° (90° влево от вертикальной оси) на 15 дБ меньше мощности основного лепестка. Ширина основного лепестка около 65°, коэффициент услиения в направлении луча 9 dBi. Бесконечно большая пластина земли полностью экранирует заднюю полусферу (от 180° до 360°), однако, пластина земли реальной антенны имеет конечные размеры. Поэтому мощность излучения в обратном направлении (задний лепесток диаграммы направленности) меньше мощности излучения основного лепестка всего лишь примерно на 20 дБ.

Полоса пропускания

Ширина полосы пропускания патч-антенны сильно зависит от расстояния между лепестком и землей. Чем ближе лепесток к земле, тем меньше энергии излучается и больше запасается в емкости и индуктивности и тем выше добротность антенны. Грубо, полосу пропускания антенны можно оценить по формуле:

,

где — расстояние от лепестка до земли, — ширина лепестка (обычно половина длины волны), — импеданс воздушного промежутка между лепестком и землей, а — сопротивление излучения антенны. Относительная полоса пропускания антенны линейно зависит от ее толщины. Характерное значение импеданса воздушного промежутка 377 Ом, а сопротивления излучения 150 Ом, что позволяет упростить формулу:

Для квадратного лепестка на 900 МГц, будет приблизительно 16 см. Толщина антенны в 1,6 см даст относительную ширину полосы пропускания в 1,2(1,6/16) ≈ 12 %, или 120 МГц.

Патч-антенны легко изготавливать печатным способом. В этом случе они получаются немного компактнее, но, поскольку их толщина меньше, полоса пропускания также уменьшаестся из-за увеличения добротности.Таким образом, полоса пропускания антенны обратно пропорциональна квадратному корню из эффективной диэлектрической проницаемости подложки. Также очевидно, что полоса пропускания расширяется с увеличением толщины подложки. Характерная ширина полосы пропускания печатной патч-антенны составляет единицы процентов. Часто, пластина земли реальных патч-антенн лишь немного больше лепестка, что также уменьшает эффективность. Способ возбуждения антенны также влияет на ее полосу пропускания.

Прямоугольные (не квадратные) антенны могут быть использованы для получения веерной диаграммы направленности, у которой ширина вертикального и горизонтального лепестков существенно различаются. Кроме квадратных, могут также использоваться круглые или многоугольные лепестки. Расчет излучающих характеристик таких антенн значительно сложнее.

Круговая поляризация

Возможно изготовить патч-антенну с круговой поляризацией. Один из способов, питать обычный квадратный лепесток из двух точек, отстающих по фазе на 90°. В этом случае, когда, скажем, вертикальный ток максимален, горизонтальный ток равен 0. Четверть цикла спустя, ситуация становится обратной и поле становится горизонтальным. Излучаемое поле будет вращаться во времени, таким образом его поляризация будет круговой. Меняя величину фазового сдвига между двумя точками питания, можно добиться любой поляризации, от линейной до круговой. Другой способ добиться круговой поляризации, это питать квадратный лепесток из одной точки, но прорезать в нем асимметричную щель или отверстие иной формы для того чтобы сместить направление тока. Стоит отметить, что хотя дисковые лепестки и могут использоваться для такой техники они не обязательно имеют круговую поляризацию. Например, симметричный дисковый лепесток, питаемый в одной точке, излучает линейно поляризованные волны. Наконец, если почти квадратный лепесток, у которого длина немногим больше, а ширина немногим меньше половины длины волны питать в точке угла, то поляризация его излучения будет круговой.

Источник