Формула и определяющие факторы

Для бесконечной или согласованной линии передачи без потерь волновое сопротивление определяется распределёнными параметрами: индуктивностью на единицу длины (L) и ёмкостью на единицу длины (C).

Z₀ = √(L / C)

На печатной плате эти параметры зависят от ширины проводника (W), его толщины (T), расстояния до опорной плоскости (H) и диэлектрической проницаемости материала (εᵣ). Например, для микрополосковой линии (microstrip) над плоскостью земли приближённая формула имеет вид:

Z₀ ≈ (87 / √(εᵣ + 1.41)) × ln(5.98 × H / (0.8 × W + T))

Увеличение расстояния H или уменьшение ширины W приводит к росту Z₀.

17. Патч антенны: конструкция и основные характеристики. Расчет и методы питания (полосковая линия, коаксиал). Преимущества и недостатки, применение. Распределение токов.

Наиболее распространены печатные излучатели в виде металлических структур (пластин) 1: правильной прямоугольной (рис. 14.12,a), круглой или неправильной (эллипти-ческой) геометрических форм, расположенных над слоем диэлектрик 2 с металлическим экраном 3. Возбуждение печатных антенн осуществляется с помощью коаксиальной (рис. 14.12,а) либо полосковой (рис. 14.12,б,в) линии. В качестве диэлектрического основания используются диэлектрики с параметрами , при толщине основания . При рассмотрении печатных резонансных антенн (прямоугольных или круглых) предполагают, что объемный резонатор ПА, образованный экраном и пластиной, ограничен вертикальными стенками из идеального магнитопроводящего материала, расположенными по периметру

пластины.

В прямоугольных ПА (рис. 14.13,а) обычно используется низший тип резонанса, когда - длина волны в полосковой линии передачи с шириной

рабочего полоска Составляющая электрического поля Ez в поперечном сече-

нии полосковой линии (координата Y) между пластиной и экраном распределена рав-

номерно, а в продольном (координата X) - по синусоидальному закону с пучностями на

краях пластины.

Недостатки из помогутки (как дополнение к выше)

• Низкий коэффициент усиления

По сравнению с рупорными или параболическими антеннами, усиление одиночного патча невелико (обычно 5–8 dBi). Чтобы получить узкий луч и высокую дальность, приходится собирать большие фазированные антенные решетки.

• Низкая эффективность (КПД) при высокой частоте

На частотах в десятки ГГц (миллиметровые волны) потери в диэлектрической подложке и проводнике резко возрастают. Энергия просто уходит в нагрев текстолита.

• Ограничение по мощности

Из-за малой толщины подложки и близости патча к заземляющему слою при подаче высокой мощности может произойти электрический пробой. Патч-антенны не подходят для мощных вещательных передатчиков.

• Возбуждение поверхностных волн

При использовании толстых подложек (для расширения полосы) часть энергии начинает распространяться вдоль границы раздела сред, а не излучаться в пространство. Это:

• Снижает КПД.

• Искажает диаграмму направленности.

• Вызывает нежелательные наводки на соседние элементы в антенных решетках.

• Высокий уровень кросс-поляризации

Из-за особенностей распределения токов на краях патча антенна может излучать волны не только в нужной поляризации, но и в перпендикулярной. Это критично для систем с поляризационным уплотнением (MIMO).

Патч-антенны (микрополосковые антенны) обладают рядом ключевых преимуществ, включая низкий профиль (компактность), малый вес, возможность создания многодиапазонных конструкций и простоту интеграции в печатные платы.

Преимущества

• Компактность и малый вес: Низкий профиль позволяет легко встраивать их в корпуса мобильных устройств и на поверхность транспортных средств.

• Технологичность: Изготавливаются методом фотопечати на печатных платах, что обеспечивает высокую точность и низкую себестоимость при массовом производстве.

• Универсальность поляризации: Поддерживают как линейную, так и круговую поляризацию, что критически важно для спутниковой связи (например, GNSS).

• Возможность создания решеток: Легко объединяются в антенные решетки для формирования сложных диаграмм направленности и увеличения усиления.

• Снижение помех: Встроенные решения менее подвержены внешним наводкам по сравнению с внешними штыревыми антеннами.

Патч-антенны доминируют в областях, где важны габариты и аэродинамика:

1. Мобильная связь и Wi-Fi: Внутренние антенны смартфонов, планшетов и роутеров.

2. Спутниковая навигация: Приемники GPS, ГЛОНАСС и Galileo (благодаря круговой поляризации).

3. Автомобильная электроника: Радар-детекторы (комбо-устройства), датчики парковки и системы бесключевого доступа.

4. Беспилотники (БПЛА): Компактные видеолинки и системы управления.

5. Ракетно-космическая техника: Антенны, устанавливаемые заподлицо с обшивкой, чтобы не нарушать аэродинамику