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Patch- oder Mikrostripantenne

Bild 1: Schnitt durch eine einfache Patch-Antenne

Bild 1: Schnitt durch eine einfache Patch-Antenne

Patch- oder Mikrostripantenne

Eine Patch- oder Mikrostripantenne ist eine schmalbandige Antenne mit breitem Abstrahlungsdiagramm. Sie hat eine flächenförmige Geometrie. Im einfachsten Fall ist es nur eine Fläche mit der Länge von ungefähr der halben Wellenlänge, so dass die Metallfläche als Resonator wirkt, ähnlich wie eine Dipolantenne. Eine Patch-Antenne wird durch Anbringen eines Metallbleches auf einem isolierenden dielektrischen Substrat hergestellt, (zum Beispiel einer doppelseitig beschichteten Leiterplatte), mit einer durchgehenden Metallschicht auf der entgegengesetzten Seite des Substrats, die mit Masse verbunden ist. Daher sind Patchantennen einfach zu entwerfen und kostengünstig herzustellen. Einige Patch-Antennen werden nicht auf einem dielektrischen Substrat aufgebaut, sondern über einer Massefläche werden unter Verwendung von isolierenden Abstandshaltern stabile Bleche montiert. Diese Bauart ist zwar weniger robust, hat aber eine größere Bandbreite. Patchantennen können von UHF–Band bis hoch zu 100 GHz konstruiert werden.

Häufig genutzte Geometrien sind quadratische oder rechteckige Formen, aber auch runde oder elliptische Formen sind möglich. Bei der Formgebung gibt es jedoch keine Einschränkungen. Praktisch ist jede kontinuierliche Form möglich. Patch-Antennen sind mechanisch robust und können auch an runde Flächen, wie zum Beispiel der Oberfläche der Karosserie eines Fahrzeuges angepasst werden. Sie sind häufig auf der Außenseite von Flugzeugen oder Raketen montiert oder sie werden in Mobilfunkgeräte eingebaut. Sie können für alle Polarisationsarten aufgebaut werden und können mehrere Speisepunkte haben.

Bild 2: Eine Antennengruppe aus Patchantennen eines maritimen Navigationsradars als FMCW Radar im X-band

Vorteile
  • Hohe Genauigkeit in der Fertigung: Das Design wird durch fotografische Ätzverfahrenen ausgeführt.
  • Sie sind einfach in andere Geräten zu integrieren.
  • Kleine Abmessungen unterstützen den Einbau in tragbare Geräte.
  • Patchantennen als Gruppenantenne erzielen gute Richtwirkungen.
  • Diese Gruppenantennen können ein kompliziert geformtes Antennendiagramm erzeugen, das mit einer Einzelantenne schwer zu realisieren ist.
  • Wenn diese Gruppenantennen mit Phasenschiebern oder PIN-Dioden-Schaltern ausgestattet sind, ist eine Strahlschwenkung möglich.

Bild 2: Eine Antennengruppe aus Patchantennen eines maritimen Navigationsradars als FMCW Radar im X-band

Bild 2: Eine Antennengruppe aus Patchantennen eines maritimen Navigationsradars als FMCW Radar im X-band

Nachteile
  • Sehr geringe Bandbreite (1%); Handys benötigen mindestens 8%.
  • Geringe Effizienz, vor allem für nichtangepasste Antennen.
  • Einige Speisetechniken wie Blenden oder lose Kopplungen sind schwierig herzustellen.
  • Je größer das Array, desto schlechter die Effizienz, da die Speiseleitungen sich auf der gleichen Ebene befinden, wie die Patchantennen.

Die ersten Mikrostrip-Antennen traten während der 80ger Jahre auf. Anfänglich war es eine militärische Entwicklung, bei der Kosten (vor allem für verlustarme Dielektriken) keine Rolle spielten. Ab den 90er Jahren wurde diese Technologie als Billigversion für Geräte der drahtlosen Kommunikation übernommen. Aber die Leistungsfähigkeit eines Mikrostrip-Arrays liegt deutlich unter der einer Reflektorantenne.

Patch-Antennen
  • werden bevorzugt für geringe Richtwirkungen;
  • haben eine niedrigere Effizienz;
  • haben eine noch schlechtere Effizienz, wenn größere Netzwerke für die Speisung nötig sind;
  • können mittels Phasenschiebernetzwerken elektronisch geschwenkt werden;
  • haben eine höhere Genauigkeit durch fotochemische Herstellungsverfahren;
  • Speisung erfolgt durch Koaxial-Leitungen oder lose Kopplung.
Reflektorantennen
  • vorgesehen für Anwendungen, die eine hohe Richtwirkung verlangen;
  • höhere Effizienz;
  • mögliche Abschattungen durch Haltestreben für den Strahler;
  • mechanisches Drehen und Schwenken;
  • schlechtere Genauigkeit, vor allem bei rauer Reflektoroberfläche;
  • werden durch andere Antennen gespeist (dipole, monopole, Aperturstrahler, etc).