In telecommunication, a microstrip antenna (also known as a printed antenna) usually is an antenna fabricated using photolithographic techniques on a printed circuit board (PCB).[1] It is a kind of internal antenna. They are mostly used at microwave frequencies. An individual microstrip antenna consists of a patch of metal foil of various shapes (a patch antenna) on the surface of a PCB, with a metal foil ground plane on the other side of the board. Most microstrip antennas consist of multiple patches in a two-dimensional array. The antenna is usually connected to the transmitter or receiver through foil microstrip transmission lines. The radio frequency current is applied (or in receiving antennas the received signal is produced) between the antenna and ground plane. Microstrip antennas have become very popular in recent decades due to their thin planar profile which can be incorporated into the surfaces of consumer products, aircraft and missiles; their ease of fabrication using printed circuit techniques; the ease of integrating the antenna on the same board with the rest of the circuit, and the possibility of adding active devices such as microwave integrated circuits to the antenna itself to make active antennas [2]Patch antenna. Based on its origin, microstrip consists of two words, namely micro (very thin/small) and is defined as a type of antenna that has a blade/piece shape and is very thin/small.[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.
The most commonly employed microstrip antenna is a rectangular patch which looks like a truncated microstrip transmission line. It is approximately of one-half wavelength long. When air is used as the dielectric substrate, the length of the rectangular microstrip antenna is approximately one-half of a free-space wavelength. As the antenna is loaded with a dielectric as its substrate, the length of the antenna decreases as the relative dielectric constant of the substrate increases. The resonant length of the antenna is slightly shorter because of the extended electric "fringing fields" which increase the electrical length of the antenna slightly. An early model of the microstrip antenna is a section of microstrip transmission line with equivalent loads on either end to represent the radiation loss.
The dielectric loading of a microstrip antenna affects both its radiation pattern and impedance bandwidth. As the dielectric constant of the substrate increases, the antenna bandwidth decreases which increases the Q factor of the antenna and therefore decreases the impedance bandwidth. This relationship did not immediately follow when using the transmission line model of the antenna, but is apparent when using the cavity model which was introduced in 1973 by Itoh and Mittra [6] The radiation from a rectangular microstrip antenna may be understood as a pair of equivalent slots. These slots act as an array and have the highest directivity when the antenna has an air dielectric and decreases when it is replaced by a dielectric substrate with increasing relative permittivity.
The half-wave rectangular microstrip antenna has a virtual shorting plane along its center. This may be replaced with a physical shorting plane to create a quarter-wavelength microstrip antenna. This is sometimes called a half-patch. The antenna only has a single radiation edge (equivalent slot) which lowers the directivity/gain of the antenna. The impedance bandwidth is slightly lower than a half-wavelength full patch as the coupling between radiating edges has been eliminated.
Another type of patch antenna is the planar inverted-F antenna (PIFA). The PIFA is common in cellular phones (mobile phones) as a built-in structure.[7][8]These antennas are derived from a quarter-wave half-patch antenna. The shorting plane of the half-patch is reduced in length which decreases the resonance frequency.[9] It offers a low profile and also with acceptable SAR properties. This antenna resembles an inverted F, which explains the PIFA name. It is popular as a compact antenna with an omnidirectional pattern.[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.