В телекоммуникациях микрополосковая антенна (также известная как печатная антенна ) обычно представляет собой антенну, изготовленную с использованием фотолитографических методов на печатной плате (ПП). [1] Это своего рода внутренняя антенна. Они в основном используются на микроволновых частотах . Отдельная микрополосковая антенна состоит из участка металлической фольги различной формы ( пластинчатая антенна ) на поверхности ПП с заземляющей плоскостью из металлической фольги на другой стороне платы. Большинство микрополосковых антенн состоят из нескольких участков в двумерной решетке. Антенна обычно подключается к передатчику или приемнику через фольгированные микрополосковые линии передачи . Радиочастотный ток подается (или в приемных антеннах производится принимаемый сигнал) между антенной и заземляющей плоскостью. Микрополосковые антенны стали очень популярными в последние десятилетия из-за их тонкого плоского профиля, который может быть встроен в поверхности потребительских товаров, самолетов и ракет; их простоты изготовления с использованием печатных методов; простота интеграции антенны на одной плате с остальной частью схемы и возможность добавления активных устройств, таких как микроволновые интегральные схемы , к самой антенне для создания активных антенн [2] Патч-антенна. Исходя из своего происхождения, микрополосковая антенна состоит из двух слов, а именно микро (очень тонкий/маленький) и определяется как тип антенны, которая имеет форму лезвия/куска и является очень тонкой/маленькой. [3]
Наиболее распространенный тип микрополосковой антенны обычно известен как патч-антенна . Антенны, использующие патчи в качестве составных элементов в решетке, также возможны. Патч-антенна — это узкополосная широколучевая антенна , изготовленная путем травления рисунка антенного элемента в металлической дорожке, прикрепленной к изолирующей диэлектрической подложке, такой как печатная плата , с непрерывным металлическим слоем, прикрепленным к противоположной стороне подложки, которая образует заземляющую плоскость . Обычные формы микрополосковых антенн — квадратная, прямоугольная, круглая и эллиптическая, но возможна любая непрерывная форма. Некоторые патч-антенны не используют диэлектрическую подложку, а вместо этого изготавливаются из металлической патчи, установленной над заземляющей плоскостью с помощью диэлектрических прокладок; полученная структура менее прочна, но имеет более широкую полосу пропускания . Поскольку такие антенны имеют очень низкий профиль, механически прочны и могут быть сформированы так, чтобы соответствовать изогнутой обшивке транспортного средства, их часто устанавливают на внешней стороне самолетов и космических аппаратов или встраивают в мобильные устройства радиосвязи.
Микрополосковые антенны относительно недороги в производстве и проектировании из-за простой двумерной физической геометрии. Обычно они используются на частотах UHF и выше, поскольку размер антенны напрямую связан с длиной волны на резонансной частоте . Одна патч-антенна обеспечивает максимальный направленный коэффициент усиления около 6–9 дБи . Относительно легко напечатать массив патчей на одной (большой) подложке с использованием литографических методов. Патч-решетки могут обеспечить гораздо более высокий коэффициент усиления, чем одна патча, при небольших дополнительных затратах; согласование и регулировка фазы могут быть выполнены с помощью печатных микрополосковых структур подачи, опять же в тех же операциях, которые формируют излучающие патчи. Возможность создания массивов с высоким коэффициентом усиления в низкопрофильной антенне является одной из причин того, что патч-решетки распространены на самолетах и в других военных приложениях.
Такая решетка патч-антенн представляет собой простой способ создания фазированной антенной решетки с возможностью динамического формирования диаграммы направленности . [4]
Преимуществом, присущим патч-антеннам, является возможность поляризационного разнесения. Патч-антенны можно легко спроектировать с вертикальной, горизонтальной, правосторонней круговой (RHCP) или левосторонней круговой (LHCP) поляризацией, используя несколько точек питания или одну точку питания с асимметричными патч-структурами. [5] Это уникальное свойство позволяет использовать патч-антенны во многих типах линий связи, которые могут иметь различные требования.
Наиболее часто используемая микрополосковая антенна представляет собой прямоугольную заплатку, которая выглядит как усеченная микрополосковая линия передачи. Она имеет длину примерно в половину длины волны. Когда в качестве диэлектрической подложки используется воздух, длина прямоугольной микрополосковой антенны составляет примерно половину длины волны в свободном пространстве . Поскольку антенна загружена диэлектриком в качестве подложки, длина антенны уменьшается по мере увеличения относительной диэлектрической проницаемости подложки. Резонансная длина антенны немного короче из-за расширенных электрических «крайних полей», которые немного увеличивают электрическую длину антенны. Ранняя модель микрополосковой антенны представляет собой секцию микрополосковой линии передачи с эквивалентными нагрузками на обоих концах для представления потерь излучения.
Диэлектрическая нагрузка микрополосковой антенны влияет как на ее диаграмму направленности, так и на ширину полосы пропускания импеданса. По мере увеличения диэлектрической проницаемости подложки ширина полосы пропускания антенны уменьшается, что увеличивает добротность антенны и, следовательно, уменьшает ширину полосы пропускания импеданса. Эта связь не сразу проявилась при использовании модели линии передачи антенны, но стала очевидной при использовании модели полости, которая была введена в 1973 году Ито и Миттрой [6]. Излучение от прямоугольной микрополосковой антенны можно понимать как пару эквивалентных щелей. Эти щели действуют как решетка и имеют самую высокую направленность, когда антенна имеет воздушный диэлектрик, и уменьшается, когда она заменяется диэлектрической подложкой с увеличивающейся относительной диэлектрической проницаемостью.
Полуволновая прямоугольная микрополосковая антенна имеет виртуальную плоскость закорачивания вдоль своего центра. Ее можно заменить физической плоскостью закорачивания, чтобы создать микрополосковую антенну длиной в четверть волны. Иногда ее называют полупластиной. Антенна имеет только один край излучения (эквивалентную щель), что снижает направленность/усиление антенны. Полоса пропускания импеданса немного ниже, чем у полной пластины длиной в половину волны, поскольку связь между излучающими краями устранена.
Другой тип патч-антенны — это плоская перевернутая F-антенна (PIFA). PIFA распространена в сотовых телефонах (мобильных телефонах) как встроенная структура. [7] [8] Эти антенны получены из четвертьволновой полупластинчатой антенны. Закорачивающая плоскость полупластины уменьшена в длине, что снижает резонансную частоту. [9] Она обеспечивает низкий профиль, а также приемлемые свойства SAR. Эта антенна напоминает перевернутую F, что объясняет название PIFA. Она популярна как компактная антенна с всенаправленной диаграммой направленности. [10]
Часто антенны PIFA имеют несколько ветвей для резонанса в различных сотовых диапазонах. В некоторых телефонах используются заземленные паразитные элементы для улучшения характеристик полосы пропускания излучения.
Сложенная перевернутая конформная антенна (FICA) [11] имеет некоторые преимущества по сравнению с PIFA, поскольку она обеспечивает лучшее повторное использование объема.
Микрополосковая заплата с дефектной структурой заземления (DGS) популярна для множества целей. Эта технология вводит ограниченное количество небольших щелей, называемых «дефектами» на плоскости заземления под заплатой, и потенциально способна улучшить ее свойства как в дальнем, так и в ближнем поле. Это было задумано и представлено в 2005 году Гухой [12] для управления кросс-поляризованным излучением без привлечения дополнительных компонентов, объема, веса или стоимости. Технология достаточно продвинута, чтобы уменьшить кросс-поляризованное излучение даже по диагональным плоскостям микрополосковой заплаты. Технология DGS одинаково эффективна для уменьшения взаимной связи в больших микрополосковых решетках и, следовательно, смягчения проблемы слепоты сканирования радарных лучей. [13] [14] Технология DGS оказалась весьма привлекательной для бортовых приложений.