18. Поляризация излучения патч-антенн. Методы получения линейной и круговой поляризации. Методы согласования патч- антенн с полосковым питанием.
Поляризация патч-антенны (микрополосковой антенны) определяется направлением вектора электрического поля E в подложке и пространстве. Она жестко зависит от формы патча и способа его возбуждения.
1. Линейная поляризация
Это базовый вариант для прямоугольного или квадратного патча.
Механизм: Вектор E ориентирован вдоль резонансной стороны патча (длины L≈λ/2).
Управление: Если запитать патч по центру одной из сторон, поляризация будет направлена вдоль этой оси.
Точка запитки:
Если запитать патч в центре кромки, возбуждается линейная поляризация, параллельная этой кромке.
Смещением точки запитки к центру (например, коаксиальным зондом) регулируют только входное сопротивление, не меняя тип поляризации.
Использование щелей: Прорезание узких щелей параллельно резонансной стороне позволяет уменьшить габариты патча, сохраняя линейную поляризацию.
Особенности: Обладает высокой чистотой, но требует строгой ориентации приемной антенны.
2. Методы получения круговой поляризации (КП)
Для КП нужно возбудить две ортогональные моды (горизонтальную и вертикальную) с одинаковой амплитудой и сдвигом фаз 90°.
А. Одноточечное возбуждение (изменение геометрии)
Самый компактный метод, но узкополосный (полоса по КП всего 1–2%).
Усеченные углы: У квадратного патча срезают два противоположных угла. Это вносит возмущение, разделяющее одну моду на две с нужным фазовым сдвигом.
Почти квадратный патч: Стороны a и b различаются на несколько процентов. Запитка подается по диагонали.
Прорези (щели): В центре квадратного патча делается диагональная или крестообразная щель неравной длины.
Внесение возмущающих элементов: добавление небольших выступов (ушек) на серединах сторон или использование патчей эллиптической формы
Б. Многоточечное возбуждение (внешние цепи)
Более громоздкий, но стабильный и широкополосный метод (до 15–20% полосы).
Квадратурный мост (90°-гибрид): Сигнал делится пополам, одна часть сдвигается на 90° и подается на смежные стороны квадратного патча.
Делитель Уилкинсона с разной длиной плеч: Одно плечо фидера делается длиннее другого на четверть длины волны (λ/4 в линии), что обеспечивает фазовый сдвиг.
Можно не только обрезать угол, но и нарастить его. Можно прорезать слот в середине патча. Можно использовать прямоугольный патч, а для согласования с фидером сместить источник с оси симметрии к диагонали. В принципе патч можно использовать любой формы, чаще всего берут круг или эллипс, как наиболее изученные.
3. Двойная поляризация (Dual-pol)
Позволяет передавать два независимых канала данных на одной частоте.
Реализация: Квадратный патч с двумя портами питания (по осям X и Y). Один порт создает горизонтальную поляризацию, другой — вертикальную.
Важный параметр: Развязка (Isolation) между портами. Чем она выше, тем меньше сигналы мешают друг другу.
Согласование вырезом
сссс
Погомутка
Расширение полосы частот патч-антенн достигается снижением их добротности (Q) и использованием многорезонансных структур. Основные методы включают увеличение толщины подложки, использование материалов с низкой диэлектрической проницаемостью (εr), применение многослойных (стековых) конструкций, использование пассивных резонаторов и U-образных щелей (и другие формы).
Основные способы расширения полосы частот:
Увеличение толщины подложки и снижение: Самый простой метод. Увеличение толщины h подложки (при сохранении низкой εr) уменьшает добротность Q, что расширяет полосу, но может увеличить уровень поверхностных волн.
Многослойные (стековые) конструкции: Использование двух или более патчей, расположенных друг над другом на разных диэлектрических слоях. Резонансные частоты слоев настраиваются близко друг к другу, образуя широкую общую полосу.
Введение U-образной щели (U-slot): Вырезание щели специальной формы в патче позволяет создать второй резонанс, который объединяется с основным, значительно расширяя полосу (до 30–50%).
Использование пассивных элементов: Размещение дополнительных металлических пластин (паразитных патчей) в той же плоскости (копланарно) или над основным активным излучателем.
Специальные методы питания: Использование зондового питания, аппертурного возбуждения (через щель в экране) или согласующих цепей для уменьшения отражений в более широком диапазоне.
Примеры реализации:
U-образная щель: Патч с U-щелью позволяет получить полосу рабочих частот до 18—60%.
Двухслойная патч-антенна: Нижний патч питается зондом, а верхний (пассивный) слой возбуждается электромагнитно. Применяется для двухдиапазонных режимов или широкой полосы.
Копланарные элементы: Добавление пассивных полосков по бокам основного патча для создания многорезонансной структуры.
Антенна типа «бабочка» (Bow-tie):Геометрическое изменение формы патча, обеспечивающее лучшее согласование в широкой полосе частот.
Другой вариант
1. Увеличение толщины и снижение диэлектрической проницаемости () подложки
Самый простой метод. Чем толще подложка и чем меньше ее диэлектрическая проницаемость (например, использование воздуха или пеноматериала вместо текстолита), тем шире полоса.
Пример: Замена стандартного FR-4 () на специализированный Rogers или воздушную прослойку.
2. Использование многослойных структур (Stacking)
Над основным патчем размещается еще один (пассивный) патч. Они резонируют на близких частотах, создавая эффект перекрытия и расширяя общую полосу.
Пример: Двухэтажная антенна, где нижний элемент запитан, а верхний возбуждается за счет электромагнитной связи.
3. Прорезание щелей (Slots) в патче
Слоты (U-образные, E-образные, H-образные) изменяют пути протекания токов, создавая дополнительные резонансы.
Пример: E-образная антенна. За счет двух параллельных щелей антенна начинает работать как двухрезонансная система, что дает полосу до 20–30%.
4. Использование емкостной запитки (L-probe)
Вместо прямой пайки фидера или коаксиального разъема используют зонд в форме буквы L. Это компенсирует индуктивность, возникающую при использовании толстых подложек.
Пример: Антенна на толстой воздушной подложке с L-образным зондом может достигать полосы пропускания до 35%.
5. Апертурная связь (Aperture Coupling)
Энергия передается от линии передачи к патчу через щель в экране. Это исключает прямой контакт и позволяет оптимизировать параметры линии и антенны независимо.
Пример: Высокочастотные модули связи, где фидерная линия находится под «землей», а патч — над ней.
6. Изменение формы патча и использование фракталов
Использование сложных геометрий или структур с вырезами позволяет сблизить несколько резонансных частот.
Пример: PIFA-антенны (планарные инвертированные F-антенны) в смартфонах, которые работают в нескольких диапазонах сразу.