In Leiterplatten eingebettete Antennen sind eine gängige Lösung in drahtlosen Geräten. Sie sind einfach zu entwerfen und herzustellen und können überall auf der Leiterplatte platziert werden. Allerdings reagieren PCB-eingebettete Antennen auch sehr empfindlich auf die Umgebung, was ihre Leistung beeinträchtigen kann. In diesem Artikel werden die Funktionsprinzipien von FPC- und PCB-eingebetteten Patchantennen, ihre Vor- und Nachteile und was beim Entwurf eines drahtlosen Geräts mit einer eingebetteten Antenne zu beachten ist, untersucht.
Was ist eine Patch-Antenne? Funktionsprinzip einer Patch-AntenneVor- und Nachteile von Patch-AntennenBeim Entwurf einer Patch-Antenne zu berücksichtigende FaktorenFazit
Was ist eine Patchantenne?
Eine Patchantenne ist ein Antennentyp, der aus einem flachen, rechteckigen Metallpatch besteht, der auf einem Substrat montiert ist. Das Substrat besteht normalerweise aus einem dielektrischen Material wie FR4 oder Rogers, das dabei hilft, das Patch von der Masseebene zu isolieren. Der Patch wird typischerweise über eine Mikrostreifenleitung oder ein Koaxialkabel gespeist und kann entweder ein Dipol oder ein Monopol sein.
Patchantennen erfreuen sich großer Beliebtheit, da sie einfach herzustellen sind und sehr klein gebaut werden können. Sie werden häufig in drahtlosen Geräten wie Mobiltelefonen, Tablets und Laptops verwendet. Patchantennen werden auch in Satellitenkommunikations- und GPS-Systemen verwendet.
Funktionsprinzip einer Patchantenne
Wenn eine Patch-Antenne mit einem HF-Signal gespeist wird, bewirkt der Strom auf dem Patch, dass der Patch elektromagnetische Wellen ausstrahlt. Form und Größe des Patches bestimmen die Frequenz, bei der die Antenne schwingt. Der Patch bestimmt auch die Polarisation der abgestrahlten Wellen, die entweder linear oder kreisförmig sein kann.
Auch das Substratmaterial und die Dicke beeinflussen die Leistung der Antenne. Ein dickeres Substrat führt zu einer niedrigeren Resonanzfrequenz, während ein dünneres Substrat zu einer höheren Frequenz führt. Die Dielektrizitätskonstante des Substratmaterials beeinflusst auch die Resonanzfrequenz und die Bandbreite der Antenne.
Patch-Antennen sind in der Regel für den Betrieb mit einer bestimmten Frequenz ausgelegt, die durch die Größe und Form des Patches bestimmt wird. Die Frequenz kann durch Ändern der Länge der Mikrostreifen-Zuleitung oder durch Hinzufügen einer Abstimmleitung zur Zuleitung angepasst werden.
Vor- und Nachteile von Patchantennen
Vorteile
Patchantennen erfreuen sich großer Beliebtheit, da sie einfach herzustellen sind und sehr klein gebaut werden können. Sie sind zudem sehr vielseitig und können für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Patchantennen sind im Vergleich zu anderen Antennentypen auch relativ kostengünstig.
Nachteile
Einer der Hauptnachteile von Patchantennen besteht darin, dass sie sehr empfindlich auf die Umgebung reagieren. Die Leistung der Antenne kann durch umgebende Objekte wie Wände, Möbel und sogar Personen beeinträchtigt werden. Patchantennen reagieren außerdem sehr empfindlich auf das für das Substrat verwendete dielektrische Material. Wenn die Dielektrizitätskonstante des Substrats nicht an die Resonanzfrequenz der Antenne angepasst ist, wird die Leistung beeinträchtigt.
Beim Entwurf einer Patchantenne zu berücksichtigende Faktoren
Beim Entwurf einer Patchantenne sind eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, darunter die Betriebsfrequenz, die Bandbreite, der Gewinn, der Wirkungsgrad und das Strahlungsmuster.
Häufigkeit des Betriebs
Die Betriebsfrequenz ist der wichtigste Faktor, der beim Entwurf einer Patchantenne berücksichtigt werden muss. Die Größe und Form des Patches bestimmt die Frequenz, bei der die Antenne schwingt. Die Frequenz kann durch Ändern der Länge der Mikrostreifen-Zuleitung oder durch Hinzufügen einer Abstimmleitung zur Zuleitung angepasst werden.
Bandbreite
Die Bandbreite einer Patchantenne ist der Frequenzbereich, über den die Antenne effektiv arbeitet. Die Bandbreite ist typischerweise sehr schmal und liegt in der Größenordnung von 1 % bis 2 %. Sie kann jedoch durch die Verwendung eines dickeren Substrats oder durch Hinzufügen parasitärer Elemente zur Antenne erhöht werden.
Gewinnen
Der Gewinn einer Patchantenne ist ein Maß dafür, wie gut die Antenne elektromagnetische Wellen abstrahlt oder empfängt. Der Gewinn ist typischerweise sehr hoch und liegt in der Größenordnung von 10 dBi bis 20 dBi. Sie kann jedoch durch die Verwendung eines größeren Patches oder durch Hinzufügen eines Reflektors zur Antenne erhöht werden.
Effizienz
Der Wirkungsgrad einer Patchantenne ist ein Maß dafür, wie viel der Eingangsleistung in Strahlungsleistung umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad ist typischerweise sehr hoch und liegt in der Größenordnung von 90 % bis 95 %. Sie kann jedoch durch die Verwendung eines verlustbehafteten Substrats oder durch Hinzufügen einer Widerstandslast zur Antenne verringert werden.
Strahlungsmuster
Das Strahlungsmuster einer Patchantenne ist ein Maß dafür, wie die Antenne elektromagnetische Wellen in verschiedene Richtungen ausstrahlt oder empfängt. Das Strahlungsmuster ist typischerweise sehr gerichtet, was bedeutet, dass die Antenne in eine bestimmte Richtung am besten strahlt oder empfängt. Sie kann jedoch omnidirektionaler gemacht werden, indem ein größerer Patch verwendet oder der Antenne ein Reflektor hinzugefügt wird.
Abschluss
Patchantennen sind eine beliebte Wahl für drahtlose Geräte, da sie einfach herzustellen sind und sehr klein gebaut werden können. Allerdings reagieren sie auch sehr empfindlich auf die Umwelt, was ihre Leistung beeinträchtigen kann. Beim Entwurf eines drahtlosen Geräts mit integrierter Antenne ist es wichtig, die Betriebsfrequenz, die Bandbreite, den Gewinn, die Effizienz und das Strahlungsmuster zu berücksichtigen. Wichtig ist auch die Wahl eines Substratmaterials, das auf die Resonanzfrequenz der Antenne abgestimmt ist. Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren ist es möglich, ein drahtloses Gerät mit integrierter Antenne zu entwickeln, das in verschiedenen Umgebungen eine gute Leistung erbringt.
