В телекоммуникациях микрополосковая антенна (также известная как печатная антенна ) обычно представляет собой антенну, изготовленную с использованием фотолитографических методов на печатной плате (PCB). [1] Это своего рода внутренняя антенна. Они в основном используются на микроволновых частотах . Индивидуальная микрополосковая антенна состоит из накладки из металлической фольги различной формы ( патч-антенны ) на поверхности печатной платы и заземляющей пластины из металлической фольги на другой стороне платы. Большинство микрополосковых антенн состоят из нескольких участков двумерной решетки. Антенна обычно подключается к передатчику или приемнику через микрополосковые линии передачи из фольги . Радиочастотный ток подается (или в приемных антеннах создается принятый сигнал) между антенной и заземляющим слоем. Микрополосковые антенны стали очень популярными в последние десятилетия благодаря своему тонкому плоскому профилю, который можно встраивать в поверхности потребительских товаров, самолетов и ракет; простота их изготовления с использованием печатных плат ; простота интеграции антенны на одной плате с остальной частью схемы, а также возможность добавления активных устройств, таких как микроволновые интегральные схемы, к самой антенне для создания активных антенн [2] Патч-антенна. В зависимости от своего происхождения термин «микрополоска» состоит из двух слов, а именно «микро» (очень тонкий/маленький), и определяется как тип антенны, которая имеет форму лезвия/части и является очень тонкой/маленькой. [3]
Самый распространенный тип микрополосковой антенны широко известен как патч-антенна . Также возможны антенны, использующие патчи в качестве составных элементов массива. Патч-антенна — это узкополосная широколучевая антенна , изготовленная путем травления рисунка антенного элемента на металлической дорожке, прикрепленной к изолирующей диэлектрической подложке, такой как печатная плата , с непрерывным металлическим слоем, прикрепленным к противоположной стороне подложки, которая образует наземная плоскость . Обычными формами микрополосковых антенн являются квадратная, прямоугольная, круглая и эллиптическая, но возможна любая непрерывная форма. В некоторых патч-антеннах не используется диэлектрическая подложка, а вместо этого они состоят из металлической пластины, установленной над плоскостью заземления с помощью диэлектрических прокладок; результирующая структура менее прочная, но имеет более широкую полосу пропускания . Поскольку такие антенны имеют очень низкий профиль, механически прочны и могут иметь форму, соответствующую изогнутой обшивке транспортного средства, их часто устанавливают снаружи самолетов и космических кораблей или встраивают в мобильные устройства радиосвязи.
Микрополосковые антенны относительно недороги в производстве и проектировании из-за простой двумерной физической геометрии. Они обычно используются на УВЧ и более высоких частотах, поскольку размер антенны напрямую зависит от длины волны на резонансной частоте . Одна патч-антенна обеспечивает максимальное направленное усиление около 6–9 дБи . Относительно легко напечатать множество патчей на одной (большой) подложке, используя методы литографии. Массивы патчей могут обеспечить гораздо больший выигрыш, чем один патч, при небольших дополнительных затратах; Согласование и регулировка фазы могут быть выполнены с помощью напечатанных структур микрополоскового питания, опять же с помощью тех же операций, которые формируют излучающие пятна. Возможность создания решеток с высоким коэффициентом усиления в низкопрофильной антенне является одной из причин того, что патч-решетки широко распространены на самолетах и в других военных приложениях.
Такая решетка патч-антенн — это простой способ создать фазированную антенную решетку с возможностью динамического формирования диаграммы направленности . [4]
Преимуществом патч-антенн является возможность разнесения поляризации . Патч-антенны можно легко спроектировать так, чтобы они имели вертикальную, горизонтальную, правую круговую (RHCP) или левую круговую (LHCP) поляризацию с использованием нескольких точек питания или одной точки питания с асимметричными структурами патчей. [5] Это уникальное свойство позволяет использовать патч-антенны во многих типах каналов связи, к которым могут предъявляться различные требования.
Наиболее часто используемая микрополосковая антенна представляет собой прямоугольную антенну, похожую на усеченную микрополосковую линию передачи. Его длина составляет примерно половину длины волны. Когда в качестве диэлектрической подложки используется воздух, длина прямоугольной микрополосковой антенны составляет примерно половину длины волны в свободном пространстве . Поскольку антенна нагружена диэлектриком в качестве подложки, длина антенны уменьшается по мере увеличения относительной диэлектрической проницаемости подложки. Резонансная длина антенны немного короче из-за расширенных электрических «окантовочных полей», которые немного увеличивают электрическую длину антенны. Ранняя модель микрополосковой антенны представляет собой участок микрополосковой линии передачи с эквивалентными нагрузками на обоих концах, отражающими потери на излучение.
Диэлектрическая нагрузка микрополосковой антенны влияет как на ее диаграмму направленности, так и на ширину полосы импеданса. По мере увеличения диэлектрической проницаемости подложки полоса пропускания антенны уменьшается, что увеличивает добротность антенны и, следовательно, уменьшает полосу пропускания по сопротивлению. Эта зависимость не сразу прослеживается при использовании модели антенны с линией передачи, но становится очевидной при использовании модели резонатора, которая была предложена в 1973 году Ито и Миттрой [6]. Излучение прямоугольной микрополосковой антенны можно понимать как пару эквивалентные слоты. Эти щели действуют как решетка и имеют наибольшую направленность, когда антенна имеет воздушный диэлектрик, и снижается при ее замене диэлектрической подложкой с увеличением относительной диэлектрической проницаемости.
Полуволновая прямоугольная микрополосковая антенна имеет виртуальную закорачивающую плоскость вдоль центра. Ее можно заменить физической закорачивающей плоскостью для создания четвертьволновой микрополосковой антенны. Иногда это называют полузаплаткой. Антенна имеет только одну границу излучения (эквивалентную щель), что снижает направленность/усиление антенны. Полоса импеданса немного ниже, чем полная полоса полуволны, поскольку связь между излучающими фронтами устранена.
Другой тип патч-антенны — это плоская антенна с перевернутой F (PIFA). PIFA распространен в сотовых телефонах (мобильных телефонах) как встроенная структура. [7] [8] Эти антенны созданы на основе четвертьволновой полупатч-антенны. Закорачивающая плоскость полупатчи уменьшается в длину, что снижает резонансную частоту. [9] Он имеет низкий профиль и приемлемые характеристики SAR. Эта антенна напоминает перевернутую букву F, что объясняет название PIFA. Она популярна как компактная антенна с всенаправленной диаграммой направленности. [10]
Часто антенны PIFA имеют несколько ответвлений для резонанса в различных диапазонах сотовой связи. В некоторых телефонах для улучшения характеристик полосы пропускания излучения используются заземленные паразитные элементы.
Складчатая инвертированная конформная антенна (FICA) [11] имеет некоторые преимущества по сравнению с PIFA, поскольку позволяет лучше повторно использовать объем.
Микрополосковая заплата, интегрированная в структуру дефектного заземления (DGS), популярна по нескольким причинам. Этот метод создает ограниченное количество щелей небольшого размера, называемых «дефектами» на земляном слое под заплатой, и потенциально способен улучшить его свойства как в дальнем, так и в ближнем поле. Он был задуман и представлен в 2005 году Гухой [12] для управления кросс-поляризованным излучением без использования каких-либо дополнительных компонентов, объема, веса или стоимости. Этот метод достаточно продвинут, чтобы уменьшить кроссполяризованное излучение даже в диагональных плоскостях микрополоскового патча. Метод DGS одинаково эффективен для уменьшения взаимной связи в больших микрополосковых матрицах и, следовательно, для смягчения проблемы слепоты сканирования радиолокационных лучей. [13] [14] Метод DGS оказался очень привлекательным для авиационных применений.