Antény jsou důležitými součástmi bezdrátových komunikačních systémů. Jsou zodpovědné za přenos a přijímání rádiových signálů, které se používají pro různé aplikace, včetně Wi-Fi, Bluetooth, mobilních sítí a satelitní komunikace. Šířka pásma antény je kritický parametr, který určuje jeho výkon a vhodnosti pro specifické aplikace. Tento článek prozkoumá strategie pro zvýšení šířky pásma patch antén, které se široce používají kvůli jejich nízkému profilu a snadné výrobě.
Pochopení patch antén a jejich šířky pásma v rostoucích strategiích šířky pásma pro zvýšení šířky pásma.
Pochopení patch antén a jejich šířky pásma
Patch antény jsou typem antény mikropáskové antény, která se skládá z vyzařující náplasti na jedné straně dielektrického substrátu a zemní roviny na druhé straně. Oni se široce používají v bezdrátových komunikačních systémech kvůli jejich nízkému profilu, lehkému a snadnému výrobě. Patch antény mohou být navrženy v různých tvarech, jako jsou obdélníkové, kruhové a eliptické, aby vyhovovaly konkrétním aplikacím.
Šířka pásma patch antény je definována jako frekvenční rozsah, nad kterým anténa působí efektivně. Obvykle se měří jako rozdíl mezi horní a dolní frekvenční body, ve kterých je ztráta návratu antény větší než 10 dB. Vyšší šířka pásma umožňuje anténě pracovat v širším rozsahu frekvencí, což je nezbytné pro moderní komunikační systémy, které vyžadují vysoké datové rychlosti a podporují více frekvenční pásma.
Patch antény jsou známá svou úzkou šířkou pásma, která je obvykle menší než 5% středové frekvence. Toto omezení je primárně způsobeno malou velikostí vyzařující náplasti, což má za následek vysoce kvalitní faktor (Q) a následně úzkou šířku pásma. Ovlivňují šířku pásma antén pásma, včetně dielektrického substrátu, velikosti a tvaru náplasti a mechanismu krmení.
Výzvy při zvyšování šířky pásma
Zvýšení šířky pásma patch antén je náročným úkolem kvůli vlastním kompromisům mezi šířkou pásma, ziskem, účinností a velikostí. Úzká šířka pásma patch antén je primárně způsobena jejich vysoce kvalitním faktorem (Q), což je míra energie uložené v anténě vzhledem k ztracené energii. Vyšší hodnota Q má za následek užší šířku pásma, zatímco nižší hodnota Q vede k širší šířce pásma.
K vysokým q anténům přispívá několik faktorů, včetně dielektrického substrátu, velikosti a tvaru náplasti a mechanismu krmení. Výběr dielektrického substrátu je kritický, protože určuje účinnou dielektrickou konstantu a tečnu antény. Upřednostňují se substráty s tečnou a vysokou dielektrickou konstantou s nízkou ztrátou, ale často mají za následek menší velikost a vyšší Q.
Velikost a tvar náplasti také hraje významnou roli při určování šířky pásma. Větší záplaty mají tendenci mít nižší q a širší šířku pásma, ale jsou méně vhodné pro kompaktní aplikace. Mechanismus krmení, jako je koaxiální sonda, linie mikropáskové nebo spojky apertury, může také ovlivnit šířku pásma zavedením dalších ztrát a rezonance.
Kromě těchto faktorů může vzájemná vazba mezi více záplatami v konfiguraci pole ovlivnit také šířku pásma. Interakce mezi sousedními skvrnami může vést ke změnám v efektivní dielektrické konstantě a vzoru záření, což může ovlivnit celkový výkon pole antény.
Návrhové strategie pro zvýšení šířky pásma
K zvýšení šířky pásma patch antén lze použít několik konstrukčních strategií. Mezi tyto strategie patří použití tlustých dielektrických substrátů, začlenění parazitických prvků, využití vazebné spojky a používání multi-rezonančních technik.
Použití hustých dielektrických substrátů: Jedním z nejjednodušších způsobů, jak zvýšit šířku pásma patch antény, je použití silnějšího dielektrického substrátu. Silnější substrát snižuje faktor Q antény, což má za následek širší šířku pásma. Tento přístup však může vést ke zvýšené velikosti a snížené účinnosti, což nemusí být vhodné pro všechny aplikace.
Začlenění parazitických prvků: Parazitární prvky, jako jsou režiséři a reflektory, lze přidat do antény pro opravu, aby se zvýšila její šířka pásma. Tyto prvky nejsou přímo připojeny k přívodní linii, ale interagují s vyzařující náplastí elektromagnetickou vazbou. Pečlivým navrhováním délky a mezeru parazitických prvků lze zvýšit šířku pásma antény. Tato technika se běžně používá v anténách Yagi-Uda, kde se používá více režisérů ke zvýšení šířky pásma a zisku.
Použití spojky pro clonu: Spojení clony je technika, která zahrnuje krmení antény náplasti skrz štěrbinu nebo otvoru v základní rovině. Tato metoda může pomoci snížit faktor Q a zvýšit šířku pásma antény. Spojení clony také poskytuje zlepšenou izolaci mezi vedení krmivy a vyzařující náplastí, která může snížit nežádoucí spojení a zlepšit výkon antény.
Použití multi-rezonančních technik: Multi-rezonanční techniky zahrnují navrhování patch antény pro podporu více rezonančních frekvencí. Toho lze dosáhnout pomocí kombinace různých tvarů záplaty, jako jsou naskládané záplaty nebo zabudované náplasti nebo zavedením dalších rezonančních prvků, jako jsou sloty nebo zářezy, do náplasti. Pečlivým vyladěním rezonančních frekvencí lze zvýšit šířku pásma antény. Tento přístup se běžně používá v širokopásmových anténách, jako jsou antény UWB (ultra-širokopásmové), které pracují ve frekvenčním rozsahu 3,1 až 10,6 GHz.
Další efektivní metodou pro zvýšení šířky pásma patch antén je použití vícevrstvé nebo skládané konfigurace. V tomto přístupu jsou více záplat naskládány svisle, odděleny dielektrickými substráty s různými permitivitami. Interakce mezi skvrnami a dielektrickými vrstvami může vytvořit další rezonance, což má za následek širší šířku pásma. Tato technika je zvláště užitečná pro aplikace vyžadující kompaktní antény s širokou šířkou pásma.
Navíc použití nerovnoměrného krmení může také pomoci zvýšit šířku pásma patch antén. Použitím kužele nebo vícedílného přívodního vedení lze impedanční shodu mezi přívodní linií a anténou zlepšit v širším frekvenčním rozsahu. Tento přístup lze kombinovat s jinými technikami pro zlepšení šířky pásma, jako jsou parazitické prvky nebo spojka clony, aby se dosáhlo ještě větší šířky pásma.
Závěr
Zvýšení šířky pásma patch antén je náročným, ale dosažitelným cílem. Použitím různých konstrukčních strategií, jako je použití tlustých dielektrických substrátů, začlenění parazitických prvků, využití spojování clony a použití více rezonančních technik, lze výrazně zvýšit šířku pásma patch antén. Tyto techniky lze použít jednotlivě nebo v kombinaci k dosažení požadované šířky pásma pro konkrétní aplikace.
Je důležité si uvědomit, že zvýšení šířky pásma patch antén může být za cenu dalších parametrů výkonu, jako je zisk, účinnost a velikost. Proto by mělo být pečlivě zváženo specifické požadavky žádosti a kompromisům zapojeným do návrhu. Vyvážením těchto faktorů je možné navrhnout patch antény s požadovanou šířkou pásma a výkonem pro širokou škálu bezdrátových komunikačních systémů.
