Antenner er vigtige komponenter i trådløse kommunikationssystemer. De er ansvarlige for transmission og modtagelse af radiosignaler, der bruges til forskellige applikationer, herunder Wi-Fi, Bluetooth, Cellular Networks og Satellite Communication. Båndbredden af en antenne er en kritisk parameter, der bestemmer dens ydeevne og egnethed til specifikke anvendelser. Denne artikel vil undersøge strategier for at øge båndbredden af patchantenner, som er vidt brugt på grund af deres lave profil og lette fremstilling.
Forståelse
Forståelse af patchantenner og deres båndbredde
Patchantenner er en type mikrostripantenne, der består af en udstrålende plaster på den ene side af et dielektrisk underlag og et jordplan på den anden side. De er vidt brugt i trådløse kommunikationssystemer på grund af deres lave profil, lette og lette fabrikation. Patchantenner kan designes i forskellige former, såsom rektangulær, cirkulær og elliptisk, for at passe til specifikke anvendelser.
Båndbredden af en patchantenne defineres som det frekvensområde, som antennen fungerer effektivt på. Det måles typisk som forskellen mellem de øvre og nedre frekvenspunkter, hvor antennens returtab er større end 10 dB. En højere båndbredde giver antennen mulighed for at fungere over et bredere frekvensområde, hvilket er vigtigt for moderne kommunikationssystemer, der kræver høje datahastigheder og understøtter flere frekvensbånd.
Patchantenner er kendt for deres smalle båndbredde, som typisk er mindre end 5% af midtfrekvensen. Denne begrænsning skyldes primært den lille størrelse af den udstrålende patch, hvilket resulterer i en høj kvalitetsfaktor (Q) og følgelig smal båndbredde. Flere faktorer påvirker båndbredden af patchantenner, herunder det dielektriske underlag, størrelsen og formen på plasteret og fodringsmekanismen.
Udfordringer i stigende båndbredde
At øge båndbredden af patchantenner er en udfordrende opgave på grund af de iboende afvejninger mellem båndbredde, gevinst, effektivitet og størrelse. Den smalle båndbredde af patchantenner skyldes primært deres faktor af høj kvalitet (Q), som er et mål for den energi, der er gemt i antennen i forhold til den mistede energi. En højere Q -værdi resulterer i smallere båndbredde, mens en lavere Q -værdi fører til bredere båndbredde.
Flere faktorer bidrager til de høje Q af patchantenner, herunder det dielektriske substrat, størrelsen og formen på plasteret og fodringsmekanismen. Valget af dielektrisk substrat er kritisk, da det bestemmer den effektive dielektriske konstant og tab tangent for antennen. Substrater med tangent med lavt tab og høj dielektrisk konstant foretrækkes, men de resulterer ofte i mindre størrelse og højere Q.
Størrelsen og formen på plasteret spiller også en betydelig rolle i bestemmelsen af båndbredden. Større pletter har en tendens til at have lavere Q og bredere båndbredde, men de er mindre egnede til kompakte applikationer. Fodringsmekanismen, såsom koaksial sonde, mikrostrip -linje eller blændekobling, kan også påvirke båndbredden ved at indføre yderligere tab og resonanser.
Ud over disse faktorer kan den gensidige kobling mellem flere patches i en matrixkonfiguration også påvirke båndbredden. Interaktionen mellem tilstødende patches kan føre til ændringer i den effektive dielektriske konstant og strålingsmønster, hvilket kan påvirke den samlede ydelse af antennearrayet.
Designstrategier til forbedring af båndbredde
Flere designstrategier kan anvendes til at forbedre båndbredden af patchantenner. Disse strategier inkluderer anvendelse af tykke dielektriske substrater, inkorporering af parasitiske elementer, anvendelse af åbningskobling og anvendelse af multi-resonante teknikker.
Brug af tykke dielektriske underlag: En af de enkleste måder at øge båndbredden af en patchantenne er at bruge et tykkere dielektrisk underlag. Et tykkere substrat reducerer antennenes Q -faktor, hvilket resulterer i en bredere båndbredde. Imidlertid kan denne tilgang føre til øget størrelse og reduceret effektivitet, som muligvis ikke er egnet til alle applikationer.
Inkorporering af parasitiske elementer: Parasitiske elementer, såsom instruktører og reflektorer, kan føjes til patch -antennen for at forbedre dens båndbredde. Disse elementer er ikke direkte forbundet med foderlinjen, men interagerer med den udstrålende patch gennem elektromagnetisk kobling. Ved omhyggeligt at designe længden og afstand mellem de parasitiske elementer kan antennes båndbredde øges. Denne teknik bruges ofte i Yagi-UDA-antenner, hvor flere direktører bruges til at øge båndbredden og vinde.
Anvendelse af åbningskobling: Aperture -kobling er en teknik, der involverer fodring af patchantennen gennem en spalte eller blænde i jordplanet. Denne metode kan hjælpe med at reducere Q -faktoren og øge antennes båndbredde. Aperture -kobling tilvejebringer også forbedret isolering mellem foderlinjen og den udstrålende patch, som kan reducere uønsket kobling og forbedre antennens ydelse.
Brug af multi-resonant teknikker: Multi-resonant-teknikker involverer design af patchantenne til understøttelse af flere resonansfrekvenser. Dette kan opnås ved at bruge en kombination af forskellige patchformer, såsom stablede patches eller indlejrede plaster, eller ved at introducere yderligere resonante elementer, såsom slots eller hak, i plasteret. Ved omhyggeligt at indstille resonansfrekvenserne kan antennes båndbredde øges. Denne fremgangsmåde anvendes ofte i bredbåndsantenner, såsom UWB (ultra-bredbånd) antenner, der fungerer over et frekvensområde fra 3,1 til 10,6 GHz.
En anden effektiv metode til at øge båndbredden af patchantenner er at bruge en flerlags eller stablet konfiguration. I denne fremgangsmåde stables flere patches lodret, adskilt af dielektriske substrater med forskellige tilladelser. Interaktionen mellem patches og de dielektriske lag kan skabe yderligere resonanser, hvilket resulterer i bredere båndbredde. Denne teknik er især nyttig til applikationer, der kræver kompakte antenner med bred båndbredde.
Derudover kan brugen af ikke-ensartede fodringsteknikker også hjælpe med at øge båndbredden af patchantenner. Ved at anvende en konisk eller multi-sektions feed-linje kan impedans, der matcher mellem foderlinjen og antennen, forbedres over et bredere frekvensområde. Denne tilgang kan kombineres med andre forbedringsteknikker til båndbredde, såsom parasitiske elementer eller blænde -kobling, for at opnå endnu større båndbredde.
Konklusion
At øge båndbredden af patchantenner er et udfordrende, men opnåeligt mål. Ved at anvende forskellige designstrategier, såsom anvendelse af tykke dielektriske substrater, inkorporering af parasitiske elementer, anvendelse af åbningskobling og anvendelse af multi-resonante teknikker, kan båndbredden af patchantenner forbedres markant. Disse teknikker kan bruges individuelt eller i kombination for at opnå den ønskede båndbredde til specifikke applikationer.
Det er vigtigt at bemærke, at forøgelse af båndbredden af patchantenner kan komme til bekostning af andre præstationsparametre, såsom gevinst, effektivitet og størrelse. Derfor bør der tages nøje hensyn til de specifikke krav i applikationen og de afvekslinger, der er involveret i designet. Ved at afbalancere disse faktorer er det muligt at designe patch -antenner med den ønskede båndbredde og ydelsesegenskaber for en lang række trådløse kommunikationssystemer.
