Antene su važne komponente bežičnih komunikacijskih sustava. Oni su odgovorni za prijenos i primanje radio signala koji se koriste za različite aplikacije, uključujući Wi-Fi, Bluetooth, mobilne mreže i satelitsku komunikaciju. Širina pojasa antene je kritični parametar koji određuje njegovu izvedbu i prikladnost za specifične primjene. Ovaj će članak istražiti strategije za povećanje propusnosti patch antena, koje se široko koriste zbog njihovog slabog profila i lakoće izrade.
Razumijevanje patch antena i njihovih propusnih propusnosti u povećanju strategija propusnosti propusnosti za poboljšanje propusnosti propusnosti
Razumijevanje patch antena i njihova širina pojasa
Patch antene su vrsta mikrotračne antene koja se sastoji od zračenja flastera s jedne strane dielektričnog supstrata i prizemne ravnine s druge strane. Široko se koriste u bežičnim komunikacijskim sustavima zbog svog niskog profila, lagane i lakoće izrade. Patch antene mogu se dizajnirati u različitim oblicima, poput pravokutnih, kružnih i eliptičnih, kako bi odgovarale specifičnim primjenama.
Širina pojasa zakrpne antene definirana je kao frekvencijski raspon nad kojim antenom djeluje učinkovito. Obično se mjeri kao razlika između gornjih i donjih frekvencijskih točaka na kojima je povratni gubitak antene veći od 10 dB. Veća širina pojasa omogućava anteni da djeluje na širem rasponu frekvencija, što je ključno za moderne komunikacijske sustave koji zahtijevaju visoku brzinu podataka i podržavaju višestruke frekvencijske opsege.
Patch antene poznate su po uskoj širini pojasa, što je obično manje od 5% središnje frekvencije. Ovo ograničenje je prvenstveno posljedica male veličine zakrpe koji zrači, što rezultira visokim faktorom kvalitete (Q) i, posljedično, uskom širinom pojasa. Nekoliko čimbenika utječe na širinu opsega patch antena, uključujući dielektrični supstrat, veličinu i oblik flastera i mehanizam za hranjenje.
Izazovi u povećanju propusnosti
Povećavanje propusnosti zakrpnih antena izazovan je zadatak zbog urođenih kompromisa između propusnosti, pojačanja, učinkovitosti i veličine. Uska propusna propusnost patch antena prvenstveno je posljedica njihovog visokokvalitetnog faktora (Q), što je mjera energije pohranjene u anteni u odnosu na izgubljenu energiju. Veća vrijednost Q rezultira uže širinom pojasa, dok niža vrijednost Q dovodi do šire propusnosti.
Nekoliko čimbenika doprinosi visokoj Q antene zakrpa, uključujući dielektrični supstrat, veličinu i oblik flastera i mehanizam za hranjenje. Izbor dielektričnog supstrata je kritičan, jer određuje učinkovitu dielektričnu konstantu i tangente gubitka antene. Preferiraju se supstrati s tangengom niskog gubitka i visokom dielektričnom konstantom, ali često rezultiraju manjom veličinom i višom Q.
Veličina i oblik flastera također igraju značajnu ulogu u određivanju propusnosti. Veće zakrpe imaju nižu Q i širu širinu pojasa, ali manje su prikladne za kompaktne aplikacije. Mehanizam hranjenja, poput koaksijalne sonde, linije mikrotraka ili spajanja otvora, također može utjecati na širinu pojasa uvođenjem dodatnih gubitaka i rezonancija.
Pored ovih čimbenika, međusobna povezanost između više zakrpa u konfiguraciji niza može utjecati i na širinu pojasa. Interakcija između susjednih flastera može dovesti do promjena u efektivnom dielektričnom konstantu i obrascu zračenja, što može utjecati na ukupne performanse antene.
Strategije dizajna za poboljšanje propusnosti propusnosti
Nekoliko strategija dizajna može se upotrijebiti za poboljšanje propusnosti patch antena. Te strategije uključuju korištenje debelih dielektričnih supstrata, koji uključuju parazitske elemente, upotrebu spajanja otvora i korištenje multi-rezonantnih tehnika.
Korištenje debelih dielektričnih supstrata: Jedan od najjednostavnijih načina za povećanje propusnosti propusnosti antene je korištenje debljeg dielektričnog supstrata. Deblji supstrat smanjuje Q faktor antene, što rezultira širom širinom pojasa. Međutim, ovaj pristup može dovesti do povećane veličine i smanjene učinkovitosti, što možda nije prikladno za sve primjene.
Uključivanje parazitskih elemenata: Parazitski elementi, poput redatelja i reflektora, mogu se dodati u patch antenu kako bi se poboljšala propusnost. Ovi elementi nisu izravno spojeni na dovodnu liniju, već komuniciraju s zračenjem zakrpama elektromagnetskim spajanjem. Pažljivim dizajniranjem duljine i razmaka parazitskih elemenata može se povećati propusnost antene. Ova se tehnika obično koristi u YAGI-UD antenama, gdje se više redatelja koristi za povećanje propusnosti i dobivanja.
Korištenje spajanja otvora otvora: Spajanje otvora je tehnika koja uključuje unošenje flasterne antene kroz utor ili otvor otvora u ravnini zemlje. Ova metoda može pomoći u smanjenju Q faktora i povećanju propusnosti antene. Spajanje otvora također pruža poboljšanu izolaciju između linije dovoda i zračenja, što može smanjiti neželjeno spajanje i poboljšati performanse antene.
Korištenje multi-rezonantnih tehnika: Multi-rezonantne tehnike uključuju dizajniranje patch antene za podršku više rezonantnih frekvencija. To se može postići pomoću kombinacije različitih oblika flastera, poput složenih zakrpa ili ugrađenih zakrpa ili uvođenjem dodatnih rezonantnih elemenata, poput utora ili ureza, u flaster. Pažljivim podešavanjem rezonantnih frekvencija može se povećati širina pojasa antene. Ovaj se pristup obično koristi u širokopojasnim antenama, poput UWB (ultra širokopojasne) antene, koje djeluju u frekvencijskom rasponu od 3,1 do 10,6 GHz.
Druga učinkovita metoda za povećanje propusnosti patch antena je korištenje višeslojne ili složene konfiguracije. U ovom se pristupu više zakrpa nasloni okomito, odvojeno dielektričnim supstratima s različitim dozvolama. Interakcija između zakrpa i dielektričnih slojeva može stvoriti dodatne rezonancije, što rezultira širim širinom pojasa. Ova je tehnika posebno korisna za aplikacije koje zahtijevaju kompaktne antene sa širokom propusnošću.
Uz to, upotreba tehnika nejednakog hranjenja također može pomoći u povećanju propusnosti propusnih antena. Korištenjem konusne linije dovoda ili višestrukog presjeka, impedancija podudaranja između linije dovoda i antene može se poboljšati u širem rasponu frekvencije. Ovaj se pristup može kombinirati s drugim tehnikama poboljšanja propusnosti, poput parazitskih elemenata ili spajanja otvora, kako bi se postigla još veća širina pojasa.
Zaključak
Povećanje širine pojasa zakrpnih antena je izazovan, ali ostvariv cilj. Upotrebom različitih strategija dizajna, kao što su upotreba debelih dielektričnih supstrata, koji uključuju parazitske elemente, upotrebu spajanja otvora i korištenja multi-rezonantnih tehnika, propusnost za patch antene može se značajno poboljšati. Ove se tehnike mogu koristiti pojedinačno ili u kombinaciji kako bi se postigla željena širina pojasa za specifične primjene.
Važno je napomenuti da povećanje propusnosti zakrpnih antena može doći po cijenu drugih parametara performansi, poput dobitka, učinkovitosti i veličine. Stoga treba pažljivo razmotriti specifične zahtjeve prijave i kompromisa koji su uključeni u dizajn. Uravnotežujući ove čimbenike, moguće je osmisliti zakrpne antene s željenom širinom pojasa i karakteristikama performansi za širok raspon bežičnih komunikacijskih sustava.
