Indbyggede antenner i PCB'er er en almindelig løsning i trådløse enheder. De er nemme at designe og fremstille, og de kan placeres hvor som helst på printkortet. PCB-indlejrede antenner er dog også meget følsomme over for miljøet, hvilket kan påvirke deres ydeevne. Denne artikel vil udforske arbejdsprincipperne for FPC- og PCB-indlejrede patch-antenner, deres fordele og ulemper, og hvad du skal overveje, når du designer en trådløs enhed med en indbygget antenne.
Hvad er en patch-antenne? Arbejdsprincippet for en patch-antenne. Fordele og ulemper ved patch-antenner Faktorer, der skal tages i betragtning, når man designer en patch-antenne Konklusion
Hvad er en patch-antenne?
En patch-antenne er en type antenne, der består af en flad, rektangulær metal-patch monteret på et underlag. Substratet er normalt lavet af et dielektrisk materiale, såsom FR4 eller Rogers, som hjælper med at isolere lappen fra jordplanet. Patchen fødes typisk af en mikrostriplinje eller et koaksialkabel, og det kan enten være en dipol eller en monopol.
Patch-antenner er meget populære, fordi de er nemme at fremstille og kan laves meget små. De bruges ofte i trådløse enheder, såsom mobiltelefoner, tablets og bærbare computere. Patch-antenner bruges også i satellitkommunikation og GPS-systemer.
Arbejdsprincippet for en patch-antenne
Når en patch-antenne forsynes med et RF-signal, får strømmen på patchen patchen til at udstråle elektromagnetiske bølger. Formen og størrelsen af patchen bestemmer frekvensen, hvormed antennen vil give resonans. Plastret bestemmer også polariseringen af de udstrålede bølger, som enten kan være lineære eller cirkulære.
Substratmaterialet og tykkelsen påvirker også antennens ydeevne. Et tykkere substrat vil resultere i en lavere resonansfrekvens, mens et tyndere substrat vil resultere i en højere frekvens. Den dielektriske konstant af substratmaterialet vil også påvirke resonansfrekvensen og båndbredden af antennen.
Patch-antenner er typisk designet til at fungere ved en bestemt frekvens, som bestemmes af størrelsen og formen af patchen. Frekvensen kan justeres ved at ændre længden af mikrostrip-tilførselsledningen eller ved at tilføje en tuning-stump til fødeledningen.
Fordele og ulemper ved patch-antenner
Fordele
Patch-antenner er meget populære, fordi de er nemme at fremstille og kan laves meget små. De er også meget alsidige og kan bruges til en række forskellige formål. Patch-antenner er også relativt billige sammenlignet med andre typer antenner.
Ulemper
En af de største ulemper ved patch-antenner er, at de er meget følsomme over for miljøet. Antennens ydeevne kan blive påvirket af de omgivende genstande, såsom vægge, møbler og endda mennesker. Patch-antenner er også meget følsomme over for det dielektriske materiale, der bruges til substratet. Hvis substratets dielektriske konstant ikke er tilpasset til antennens resonansfrekvens, vil ydeevnen blive forringet.
Faktorer, du skal overveje, når du designer en patch-antenne
Der er en række faktorer, der skal tages i betragtning, når man designer en patch-antenne, herunder driftsfrekvensen, båndbredden, forstærkningen, effektiviteten og strålingsmønsteret.
Driftsfrekvens
Driftsfrekvensen er den vigtigste faktor at overveje, når man designer en patch-antenne. Størrelsen og formen af patchen bestemmer frekvensen, hvormed antennen vil give resonans. Frekvensen kan justeres ved at ændre længden af mikrostrip-tilførselsledningen eller ved at tilføje en tuning-stump til fødeledningen.
Båndbredde
Båndbredden af en patch-antenne er den række af frekvenser, som antennen vil fungere effektivt over. Båndbredden er typisk meget smal, i størrelsesordenen 1% til 2%. Det kan dog øges ved at bruge et tykkere substrat eller ved at tilføje parasitiske elementer til antennen.
Gevinst
Forstærkningen af en patch-antenne er et mål for, hvor godt antennen vil udstråle eller modtage elektromagnetiske bølger. Forstærkningen er typisk meget høj, i størrelsesordenen 10 dBi til 20 dBi. Den kan dog øges ved at bruge en større patch eller ved at tilføje en reflektor til antennen.
Effektivitet
Effektiviteten af en patch-antenne er et mål for, hvor meget af inputeffekten, der konverteres til udstrålet effekt. Effektiviteten er typisk meget høj, i størrelsesordenen 90% til 95%. Det kan dog reduceres ved at bruge et tabsgivende substrat eller ved at tilføje resistiv belastning til antennen.
Strålingsmønster
Strålingsmønsteret for en patch-antenne er et mål for, hvordan antennen vil udstråle eller modtage elektromagnetiske bølger i forskellige retninger. Strålingsmønsteret er typisk meget retningsgivende, hvilket betyder, at antennen vil stråle eller modtage bedst i en bestemt retning. Den kan dog gøres mere omnidirektionel ved at bruge en større patch eller ved at tilføje en reflektor til antennen.
Konklusion
Patch-antenner er et populært valg til trådløse enheder, fordi de er nemme at fremstille og kan laves meget små. De er dog også meget følsomme over for miljøet, hvilket kan påvirke deres ydeevne. Når du designer en trådløs enhed med en indbygget antenne, er det vigtigt at overveje driftsfrekvensen, båndbredden, forstærkningen, effektiviteten og strålingsmønsteret. Det er også vigtigt at vælge et substratmateriale, der er tilpasset antennens resonansfrekvens. Ved at tage disse faktorer i betragtning er det muligt at designe en trådløs enhed med en indbygget antenne, der vil fungere godt i en række forskellige miljøer.
