Введение

В телекоммуникациях микрополосковая антенна (также известная как печатная антенна) обычно изготавливается с использованием фотолитографических методов на печатной плате (PCB). Это разновидность внутренней антенны, преимущественно используемой в диапазоне микроволновых частот. Отдельная микрополосковая антенна состоит из металлического излучателя различной формы (пач-антенны) на поверхности PCB с металлической заземляющей плоскостью на противоположной стороне. Большинство микрополосковых антенн состоят из нескольких излучателей, расположенных в виде двумерного массива. Антенна обычно подключается к передатчику или приемнику посредством микрополосковых линий передачи из фольги. Радиочастотный ток подается (или в приемных антеннах принимается сигнал) между антенной и заземляющей плоскостью. Микрополосковые антенны стали очень популярными в последние десятилетия благодаря своему тонкому плоскому профилю, позволяющему интегрировать их в поверхности потребительских товаров, самолетов и ракет; простоте изготовления с использованием технологий печатных схем; легкости интеграции антенны на той же плате с остальной схемой и возможности добавления активных устройств, таких как микроволновые интегральные схемы, непосредственно к антенне для создания активных антенн.

Патч-антенна. Название микрополоска происходит от двух слов: «микро» (очень тонкий/маленький) и описывает тип антенны, имеющий форму пластины или элемента и отличающийся малой толщиной. Наиболее распространенным типом микрополосковой антенны является патч-антенна. Возможны также антенны, использующие патчи в качестве элементов массива. Патч-антенна – это узкополосная антенна с широкой диаграммой направленности, изготавливаемая путем травления рисунка излучающего элемента в металлическом проводнике, закрепленном на диэлектрической подложке, такой как печатная плата, с непрерывным металлическим слоем на противоположной стороне, формирующим заземляющую плоскость. Наиболее распространенные формы микрополосковых антенн – квадратная, прямоугольная, круглая и эллиптическая, но возможны любые непрерывные формы. Некоторые патч-антенны не используют диэлектрическую подложку, а изготавливаются из металлического излучателя, установленного над заземляющей плоскостью с помощью диэлектрических прокладок; такая конструкция менее надежна, но обладает большей полосой пропускания. Благодаря своему низкому профилю, механической прочности и возможности придания формы, соответствующей изогнутой поверхности транспортного средства, такие антенны часто устанавливаются на внешней стороне самолетов и космических аппаратов или встраиваются в мобильные устройства радиосвязи.

Преимущества

Антенны с микрополосковыми структурами относительно недороги в производстве и проектировании благодаря простой двумерной физической геометрии. Обычно они применяются в диапазоне УВЧ и выше, поскольку размер антенны напрямую связан с длиной волны на резонансной частоте. Отдельная патч-антенна обеспечивает максимальный направленный коэффициент усиления около 6–9 dBi. Относительно легко изготовить массив патчей на одной (большой) подложке с использованием литографических технологий. Массивы патчей могут обеспечивать значительно более высокое усиление, чем одиночный патч, при минимальных дополнительных затратах; согласование и фазовая коррекция могут выполняться с помощью печатных микрополосковых линий питания, опять же, в тех же операциях, что и формирование излучающих патчей. Возможность создания массивов с высоким коэффициентом усиления в антенне с низким профилем – одна из причин широкого использования патч-массивов в авиации и других военных приложениях. Такой массив патч-антенн – простой способ создания фазированной антенной решетки с возможностью динамического формирования диаграммы направленности. Важным преимуществом патч-антенн является возможность обеспечения поляризационного разнообразия. Патч-антенны могут быть легко спроектированы для обеспечения вертикальной, горизонтальной, правой круговой (RHCP) или левой круговой (LHCP) поляризации, используя несколько точек питания или одну точку питания с асимметричными патч-структурами. Это уникальное свойство позволяет использовать патч-антенны в различных типах каналов связи, которые могут предъявлять разные требования.

Прямоугольный пластырь

Наиболее часто используемая микрополосковая антенна представляет собой прямоугольный излучатель, который выглядит как укороченная микрополосковая линия передачи. Его длина составляет примерно половину длины волны. При использовании воздуха в качестве диэлектрической подложки, длина прямоугольной микрополосковой антенны составляет примерно половину длины волны в свободном пространстве. При использовании диэлектрика в качестве подложки, длина антенны уменьшается с увеличением относительной диэлектрической проницаемости подложки. Резонансная длина антенны немного короче из-за расширенных электрических полей окантовки, которые незначительно увеличивают её электрическую длину. Ранняя модель микрополосковой антенны представляет собой участок микрополосковой линии передачи с эквивалентными нагрузками на обоих концах для учета потерь на излучение.

Технические характеристики

Диэлектрическая нагрузка микрополосковой антенны влияет как на диаграмму направленности, так и на полосу пропускания по импедансу. С увеличением диэлектрической проницаемости подложки полоса пропускания антенны уменьшается, что приводит к увеличению добротности антенны и, следовательно, к снижению полосы пропускания по импедансу. Эта зависимость не была очевидна при использовании модели линии передачи для антенны, но проявляется при использовании модели резонатора, предложенной в 1973 году Итохом и Митрой. Излучение от прямоугольной микрополосковой антенны можно представить как пару эквивалентных щелей. Эти щели действуют как антенная решетка и обладают наибольшей направленностью при воздушной диэлектрической среде, которая уменьшается при замене ее диэлектрическим субстратом с возрастающей относительной диэлектрической проницаемостью. Полуволновая прямоугольная микрополосковая антенна имеет виртуальную плоскость короткого замыкания вдоль своего центра. Ее можно заменить физической плоскостью короткого замыкания для создания антенны длиной в четверть волны. Иногда это называют полупатчем. Антенна имеет только один излучающий край (эквивалентную щель), что снижает ее направленность/усиление. Полоса пропускания по импедансу немного меньше, чем у полноразмерного полуволнового патча, поскольку связь между излучающими краями отсутствует.

Другие виды

Другой тип патч-антенны – плоская инвертированная F-антенна (PIFA). PIFA широко используется в сотовых телефонах (мобильных телефонах) в качестве встроенной конструкции. Эти антенны происходят от четвертьволновой полупатч-антенны. Уменьшение длины короткой плоскости полупатча снижает резонансную частоту. Она обеспечивает низкий профиль и приемлемые характеристики SAR. Эта антенна напоминает перевернутую букву F, что и объясняет название PIFA. Она популярна как компактная антенна с всенаправленной диаграммой направленности. Часто антенны PIFA имеют несколько ответвлений для резонанса на различных частотных диапазонах сотовой связи. В некоторых телефонах используются заземленные паразитные элементы для улучшения характеристик полосы пропускания излучения. Свернутая инвертированная конформная антенна (FICA) имеет некоторые преимущества по сравнению с PIFA, поскольку позволяет более эффективно использовать объем. Микрополосковая антенна с Defected Ground Structure (DGS) стала популярной для различных целей. Эта технология предполагает введение ограниченного количества небольших прорезей, называемых «дефектами», в плоскость земли под патчем, и потенциально способна улучшить ее характеристики как в дальней, так и в ближней зоне. Она была разработана и представлена в 2005 году Гухой для управления перекрестной поляризацией излучения без использования дополнительных компонентов, объема, веса или затрат. Эта технология достаточно продвинута, чтобы уменьшить перекрестную поляризацию излучения даже в диагональных плоскостях микрополосковой антенны. Технология DGS также эффективно снижает взаимную связь в больших микрополосковых массивах и, следовательно, устраняет проблему «слепоты» при сканировании радиолокационных лучей. Технология DGS особенно привлекательна для бортовых приложений.