www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основы радиолокации

Микрополосковая антенна

Рисунок 1. Вид простой патч-антенны в разрезе

Рисунок 1. Вид простой патч-антенны в разрезе

Микрополосковая антенна

Микрополосковая антенна (печатная антенна, патч-антенна, англ. Patch-antenna) представляет собой узкополосную антенну с широким лучом. Физически такая антенна имеет двумерную геометрию. Основным элементом патч-антенны является плоская металлическая пластина («пятачок», от англ. patch – заплатка). В простейшей микрополосковой антенне используются пластины полуволновой длины, так что металлическая поверхность этих пластин действует как резонатор подобно полуволновому диполю. Микрополосковая антенна обычно изготавливается путем помещения металлической пластины заданной формы на изолирующем слое диэлектрика, подобно тому, как делают печатные платы, с той разницей, что на противоположной от пластины стороне диэлектрика устанавливается сплошная металлическая подложка, которая образует заземляющую поверхность. Такая конструкция проста в разработке и недорога в изготовлении. В некоторых патч-антеннах не используется сплошной слой диэлектрика, взамен чего металлические пластины устанавливаются над металлической подложкой на диэлектрических прокладках. Получающаяся структура является менее прочной, но имеет более широкую рабочую полосу частот. Микрополосковые антенны разрабатываются для частот от УВЧ-диапазона до 100 GHz.

В патч-антеннах в основном используются пластины квадратной, прямоугольной, круговой или эллиптической формы. Однако, возможно использование и любых других сплошных (непрерывных) форм. Патч-антенны характеризуются механической прочностью и могут иметь форму, соответствующую изогнутой поверхности транспортного средства. Такие антенны устанавливаются на внешних поверхностях самолетов или космических аппаратов, а также встраиваются в мобильные устройства радиосвязи. Они обладают высокой поляризационной избирательностью и могут использоваться для нескольких точек питания.

Рисунок 2. Микрополосковая антенная решетка морского навигационного FMCW-радиолокатора X-диапазона

Достоинства
  • Высокая точность изготовления за счет использования технологии фотопечати.
  • Легкость интеграции с другими устройствами.
  • Малые размера антенны подходят для портативных переносных устройств.
  • Возможно получение высокого коэффициента направленного действия за счет применения микрополосковых решеток.
  • Решетка патч-антенн может использоваться для получения диаграммы направленности, которую трудно сформировать с использованием одноэлементной антенны.
  • В комбинации с фазовращателями и переключателями на pin-диодах могут использоваться для разработки интеллектуальных антенн (смарт-антенн).

Рисунок 2. Микрополосковая антенная решетка морского навигационного FMCW-радиолокатора X-диапазона

Рисунок 2. Микрополосковая антенная решетка морского навигационного FMCW-радиолокатора X-диапазона

Недостатки
  • Узкая рабочая полоса частот (1%), в то время как для мобильных устройств требуется 8%.
  • Невысокая эффективность, в особенности, для короткозамкнутых микрополосковых антенн.
  • Сложность реализации некоторых способов питания (апертурный, бесконтактный).
  • Для решеток необходима сеть питающих линий, влияние которых снижает эффективность антенны, поскольку питающие линии находятся на том же уровне, что и антенные элементы.

Микрополосковые антенны появились в 1980-х годах. Изначально это была военная разработка, поэтому стоимость не имела решающего значения. В 1990-х эта технология была также адаптирована для устройств связи как низкозатратная технология. Однако эффективность микрополосковых решеток оставалась ниже, чем рефлекторных антенн. Далее приводится сравнение основных свойств антенн этих двух типов.

Микрополосковые антенны
  • предпочтительны для задач, где не требуется высокая направленность;
  • имеет меньшую эффективность;
  • одним из факторов снижения эффективности является наличие сети линий питания;
  • подходят для смарт-антенн; в комбинации с фазовращателями обеспечивают электронное сканирования;
  • большая точность в изготовлении за счет использования фотопечати;
  • питание осуществляется при помощи двухпроводных или коаксиальных линий.
Рефлекторные антенны
  • предпочтительны для задач, где требуется высокая направленность;
  • меют высокую эффективность;
  • лементы крепления облучателя снижают эффективность антенны;
  • используется механическое сканирование;
  • меньшая точность изготовления; иногда поверхность отражателя имеет неровности;
  • uребуют использования других антенн (дипольных, вибраторных, апертурных и т.д.) в качестве облучателя.