Antény sú dôležitými komponentmi bezdrôtových komunikačných systémov. Sú zodpovední za vysielanie a prijímanie rádiových signálov, ktoré sa používajú pre rôzne aplikácie vrátane Wi-Fi, Bluetooth, celulárnych sietí a satelitnej komunikácie. Šírka pásma antény je kritický parameter, ktorý určuje jej výkon a vhodnosť pre konkrétne aplikácie. Tento článok bude skúmať stratégie na zvýšenie šírky pásma záplatových antén, ktoré sa široko používajú kvôli ich nízkemu profilu a ľahkej výrobe.
Pochopenie antén záplat a ich šírky pásma pri zvyšovaní stratégií šírky pásma na zlepšenie šírky pásma
Pochopenie antén záplat a ich šírka pásma
Patch antény sú typom mikrostripovej antény, ktorá pozostáva z vyžarujúcej náplasti na jednej strane dielektrického substrátu a pozemnej roviny na druhej strane. Všeobecne sa používajú v bezdrôtových komunikačných systémoch kvôli ich nízkemu profilu, ľahkej a ľahkej výrobe. Patch antény môžu byť navrhnuté v rôznych tvaroch, ako sú obdĺžnikové, kruhové a eliptické, aby vyhovovali konkrétnym aplikáciám.
Šírka pásma záplatovej antény je definovaná ako frekvenčný rozsah, v ktorom anténa pôsobí efektívne. Zvyčajne sa meria ako rozdiel medzi hornými a nižšími frekvenčnými bodmi, v ktorých je strata návratnosti antény vyššia ako 10 dB. Vyššia šírka pásma umožňuje anténe pracovať v širšom rozsahu frekvencií, čo je nevyhnutné pre moderné komunikačné systémy, ktoré vyžadujú vysoké rýchlosti dát a podporujú viac frekvenčných pásiem.
Patch antény sú známe svojou úzkou šírkou pásma, ktorá je zvyčajne menšia ako 5% stredovej frekvencie. Toto obmedzenie je primárne spôsobené malá veľkosť vyžarujúca náplasť, čo má za následok vysokokvalitný faktor (Q) a následne úzku šírku pásma. Šírka pásma náplasti antény, vrátane dielektrického substrátu, veľkosti a tvaru náplasti a mechanizmu kŕmenia, ovplyvňuje niekoľko faktorov, a to.
Výzvy pri zvyšujúcej sa šírke pásma
Zvýšenie šírky pásma záplatových antén je náročnou úlohou v dôsledku vlastných kompromisov medzi šírkou pásma, ziskom, efektívnosťou a veľkosťou. Úzka šírka pásma záplatových antén je primárne spôsobená ich faktorom vysokej kvality (Q), čo je miera energie uloženej v anténe vzhľadom na stratenú energiu. Vyššia hodnota Q má za následok užšiu šírku pásma, zatiaľ čo nižšia hodnota Q vedie k širšej šírke pásma.
K vysokému Q antén náplasti prispieva niekoľko faktorov vrátane dielektrického substrátu, veľkosti a tvaru náplasti a mechanizmu kŕmenia. Výber dielektrického substrátu je kritický, pretože určuje účinnú dielektrickú konštantu a stratu dotyčnú anténu. Uprednostňujú sa substráty s dotyčnou a vysokou dielektrickou konštantou s nízkou stratou, ale často vedú k menšej veľkosti a vyššej Q.
Veľkosť a tvar záplaty tiež zohrávajú významnú úlohu pri určovaní šírky pásma. Väčšie záplaty majú tendenciu mať nižšiu Q a širšiu šírku pásma, ale sú menej vhodné pre kompaktné aplikácie. Mechanizmus kŕmenia, ako je koaxiálna sonda, linka mikropáskov alebo spojenie clony, môže tiež ovplyvniť šírku pásma zavedením ďalších strát a rezonancií.
Okrem týchto faktorov môže mať aj vzájomné spojenie medzi viacerými záplatami v konfigurácii poľa ovplyvniť aj šírku pásma. Interakcia medzi susednými záplatami môže viesť k zmenám účinnej dielektrickej konštanty a vzoru žiarenia, ktoré môžu ovplyvniť celkový výkon anténneho poľa.
Dizajn stratégií na zlepšenie šírky pásma
Na vylepšenie šírky pásma záplatových antén je možné použiť niekoľko dizajnérskych stratégií. Medzi tieto stratégie patrí použitie hrubých dielektrických substrátov, začlenenie parazitických prvkov, využívajúce spojenie clony a využívanie multirezonantných techník.
Použitím hrubých dielektrických substrátov: Jedným z najjednoduchších spôsobov, ako zvýšiť šírku pásma náplasti antény, je použitie hrubšieho dielektrického substrátu. Hrubší substrát znižuje faktor Q antény, čo vedie k širšej šírke pásma. Tento prístup však môže viesť k zvýšenej veľkosti a zníženiu účinnosti, ktorá nemusí byť vhodná pre všetky aplikácie.
Začlenenie parazitických prvkov: parazitické prvky, ako sú režiséri a reflektory, sa môžu pridať do antény záplaty, aby sa zvýšila jeho šírka pásma. Tieto prvky nie sú priamo pripojené k napájaciemu vedeniu, ale interagujú s vyžarujúcou náplasťou prostredníctvom elektromagnetickej väzby. Dôkladným navrhnutím dĺžky a rozstupov parazitických prvkov sa môže zvýšiť šírka pásma antény. Táto technika sa bežne používa v anténach Yagi-Uda, kde sa na zvýšenie šírky pásma a zisk používa viac režisérov.
Použitie spojenia clony: Coupling Aperture je technika, ktorá zahŕňa kŕmenie antény náplasti cez slot alebo clonu v pozemnej rovine. Táto metóda môže pomôcť znížiť faktor Q a zvýšiť šírku pásma antény. Spojenie clony tiež poskytuje vylepšenú izoláciu medzi napájacou čiarom a vyžarujúcou náplasťou, ktorá môže znížiť nežiaduce spojenie a zlepšiť výkon antény.
Použitie viac-rezonančných techník: Multi-rezonančné techniky zahŕňajú navrhnutie antény záplaty na podporu viacerých rezonančných frekvencií. To sa dá dosiahnuť použitím kombinácie rôznych tvarov náplasti, ako sú naskladané záplaty alebo zabudované záplaty, alebo zavedením ďalších rezonančných prvkov, ako sú sloty alebo zárezy, do náplasti. Dôkladným naladením rezonančných frekvencií sa môže zvýšiť šírka pásma antény. Tento prístup sa bežne používa v širokopásmových anténach, ako sú antény UWB (ultra širokopásmové), ktoré pracujú v rozsahu frekvencie 3,1 až 10,6 GHz.
Ďalšou efektívnou metódou na zvýšenie šírky pásma záplatových antén je použitie viacvrstvovej alebo naskladanej konfigurácie. V tomto prístupe je viacero záplat naskladaných vertikálne, oddelených dielektrickými substrátmi s rôznymi permitivitami. Interakcia medzi náplasťami a dielektrickými vrstvami môže vytvárať ďalšie rezonancie, čo má za následok širšiu šírku pásma. Táto technika je obzvlášť užitočná pre aplikácie vyžadujúce kompaktné antény so širokou šírkou pásma.
Použitie techník nejednotného kŕmenia navyše môže tiež pomôcť zvýšiť šírku pásma záplatových antén. Použitím zúženého alebo viacerého prívodného linky viacerých rezu sa môže impedančná zodpovednosť medzi napájacím riadkom a anténou vylepšiť v širšom frekvenčnom rozsahu. Tento prístup sa dá kombinovať s inými technikami vylepšenia šírky pásma, ako sú parazitické prvky alebo spojenie clony, aby sa dosiahla ešte väčšia šírka pásma.
Záver
Zvýšenie šírky pásma záplat antény je náročným, ale dosiahnuteľným cieľom. Využitím rôznych stratégií navrhovania, ako je napríklad použitie hrubých dielektrických substrátov, začlenenie parazitických prvkov, využívajúce spojenie clony a použitie multi-rezonančných techník, sa môže výrazne zvýšiť šírka pásma náplasti antény. Tieto techniky sa môžu používať jednotlivo alebo v kombinácii na dosiahnutie požadovanej šírky pásma pre konkrétne aplikácie.
Je dôležité poznamenať, že zvýšenie šírky pásma záplatových antén môže byť za cenu ostatných parametrov výkonnosti, ako sú zisk, efektívnosť a veľkosť. Preto by sa malo dôkladné zvážiť osobitné požiadavky žiadosti a kompromisy zapojené do návrhu. Vyvážením týchto faktorov je možné navrhnúť antény s požadovanou šírkou pásma a výkonnostné charakteristiky pre širokú škálu bezdrôtových komunikačných systémov.
