Патч антенна

Патч антенна — популярный тип узкополосной СВЧ антенны состоящей из плоского металлического лепестка, закрепленного на некотором расстоянии параллельно пластине земли. Обычно, эту конструкцию заключают в пластиковый радиопрозрачный кожух, как для защиты от механических повреждений, так и из эстетических соображений. Такие антенны просты в изготовлении и легко могут быть модифицированы под определенные технические условия. Патч антенна может использоваться как отдельное устройство так и в качестве облучателя для построения более эффективных систем на основе параболлических отражателей. Патч антенны очень похожи на микрополосковые антенны, которые есть ни что иное, как патч антенны размещенные на диэлектрической подложке.

Конструкция антенны

Простейшая патч антенна представляет собой квадратный лепесток со стороной равной половине длины волны расположенный над большей по размеру пластине земли. (Чем больше пластина земли, тем лучше направленность антенны и больше ее габариты. Нередко пластину земли делают лишь немногим больше лепестка.) Ток протекает в том же направлении, что и фидер, так, что векторный потенциал и, соответственно, электрическое поле следуют за током, как обозначено на рисунке стрелкой E. Простая патч антенна излучает линейно поляризованную волну. Ее излучение может быть рассмотрено как излучение двух щелей по краям антенны или, эквивалентно, как результат протекание тока в лепестке и пластине земли.

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления прямоугольной микрополосковой патч антенны с воздушным диэлектриком может быть грубо оценен следующим образом. Поскольку длина лепестка равна половине длины волны, лепесток можно предствать как полуволновой диполь, что дает около 2 dB усиления в вертикальной оси лепестка. Если лепесток квадратный, его можно рассматривать как два полуволновых диполя, разнесенных на четверть длины волны, что дает еше 2-3 dB усиления. Пластина земли экранирует излучение с обратной стороны антенны, и сокращает среднюю по объему излучаемую мощность вдвое, что дает еще 2-3 dB. Сложив все вместе, получим коэффициент усилиения патч антенны равный 7-9 dB, что неплохо согласуется с более строгими оценками.

Диаграмма направленности

Типичная диаграмма направленности линейно-поляризованной патч антенны на 900 МГц показана ниже. На рисунке показано сечение в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости похожа, но не идентична. Масштаб графика логарифмический, так что, например, мощность, излучаемая в направлении 180° (90° влево от вертикальной оси) на 15 dB меньше мощности основного лепестка. Ширина основного лепестка около 65°, коэффициент услиения в направлении луча 9 dBi. Бесконечно большая пластина земли полностью экранирует заднюю полусферу (от 180° до 360°), однако, пластина земли реальной антенны имеет конечные размеры. Поэтому мощность излучения в обратном направлении (задний лепесток диаграммы направленности) меньше мощности излучения основного лепестка всего лишь примерно на 20 dB.

Полоса пропускания

Ширина полосы пропускания патч антенны сильно зависит от расстояния между лепестком и землей. Чем ближе лепесток к земле, тем меньше энергии излучается и больше запасается в емкости и индуктивности и тем выше добротность антенны. Грубо, полосу пропускания антенны можно оценить по формуле:

$\frac{{\delta f}}{{f_{res} }} = \frac{{Z_0 }}{{2R_{rad} }}\frac{d}{W}$

, где d — расстояние от лепестка до земли (), W — ширина лепестка (обычно половина длины волны), Zo -- импеданс воздушного промежутка между лепестком и землей, а Rrad — cопротивление излучения антенны. Относительная полоса пропускания антенны линейно зависит от ее толщины. Характерное значение импеданса воздушного промежутка 337 Ом, а сопротивления излучения 150 Ом, что позволяет упростить формулу:

$\frac{{\delta f}}{{f_{res} }} = 1.2\left( {\frac{d}{W}} \right)$

Для квадратного лепестка на 900 МГц, W будет приблизительно 16 см. Толщина антенны в 1.6 см даст относительную ширину полосы пропускания в 1.2(1.6/16) ≈ 12%, или 120 МГц.

Патч антенны легко изготавливать печатным способом. В этом случе они получаются немного компактнее, но, поскольку их толщина меньше, полоса пропускания также уменьшаестся из-за увеличения добротности. Уменьшение полосы пропускания пропорционально диэлектрической проницаемости подложки. Характерная ширина полосы пропускания печатной патч антенны составляет единицы процентов. Часто, пластина земли реальных патч антенн лишь немного больше лепестка, что также уменьшает эффективность. Способ возбуждения антенны также влияет на ее полосу пропускания.

Прямоугольные (не квадратные) антенны могут быть использованы для получения веерной диаграммы направленности, у которой ширина вертикального и горизонтального лепестков существенно различаются. Кроме квадратных, могут также использоваться круглые или многоугольные лепестки. Расчет излучающих характеристик таких антенн значительно сложнее.

Круговая поляризация

Возможно изготовить патч антенну с круговой поляризацией. Один из способов, питать обычный квадратный лепесток из двух точек, отстающих по фазе на 90°. В этом случае, когда, скажем, вертикальный ток максимален, горизонтальный ток равен 0. Четверть цикла спустя, ситуация становится обратной и поле становится горизонтальным. Излучаемое поле будет вращаться во времени, таким образом его поляризация будет круговой. Меняя величину фазового сдвига между двумя точками питания, можно добиться любой поляризации, от линейной до круговой. Другой способ добиться круговой поляризации, это питать квадратный лепесток из одной точки, но прорезать в нем асимметричную щель или отверстие иной формы для того чтобы сместить направление тока. Стоит отметить, что хотя дисковые лепестки и могут использоваться для такой техники они не обязательно имеют круговую поляризацию. Например, симметричный дисковый лепесток, питаемый в одной точке, излучает линейно поляризованные волны. Наконец, если почти квадратный лепесток, у которого длина немногим больше, а ширина немногим меньше половины длины волны питать в точке угла, то поляризация его излучения будет круговой.

Литература

• Antenna Theory (3rd Edition), C. Balanis, Wiley 2005
• Antenna Engineering Handbook, ed. R. Johnson, McGraw-Hill 1993
• Микрополосковые антенны, Б. А. Панченко, Е. И. Нефёдов, М., Радио и Связь 1986)