Zabudované antény v doskách plošných spojov sú bežným riešením v bezdrôtových zariadeniach. Ľahko sa navrhujú a vyrábajú a dajú sa umiestniť kdekoľvek na doske plošných spojov. Antény zabudované do PCB sú však tiež veľmi citlivé na prostredie, ktoré môže ovplyvniť ich výkon. Tento článok preskúma princípy fungovania FPC a PCB vstavaných patch antén, ich výhody a nevýhody a čo treba zvážiť pri navrhovaní bezdrôtového zariadenia so zabudovanou anténou.
Čo je to patch anténa?Princíp fungovania patch antényVýhody a nevýhody patch anténFaktory, ktoré treba zvážiť pri návrhu patch antényZáver
Čo je to patch anténa?
Náplasťová anténa je typ antény, ktorý pozostáva z plochej, obdĺžnikovej kovovej náplasti namontovanej na substráte. Substrát je zvyčajne vyrobený z dielektrického materiálu, ako je FR4 alebo Rogers, ktorý pomáha izolovať náplasť od základnej roviny. Náplasť je typicky napájaná mikropáskovým vedením alebo koaxiálnym káblom a môže to byť buď dipól alebo monopól.
Patch antény sú veľmi obľúbené, pretože sa ľahko vyrábajú a dajú sa vyrobiť veľmi malé. Často sa používajú v bezdrôtových zariadeniach, ako sú mobilné telefóny, tablety a notebooky. Patch antény sa používajú aj v satelitných komunikáciách a systémoch GPS.
Princíp fungovania patch antény
Keď je náplasťová anténa napájaná RF signálom, prúd na náplasti spôsobí, že náplasť vyžaruje elektromagnetické vlny. Tvar a veľkosť náplasti určuje frekvenciu, pri ktorej bude anténa rezonovať. Náplasť tiež určuje polarizáciu vyžarovaných vĺn, ktoré môžu byť lineárne alebo kruhové.
Materiál substrátu a hrúbka tiež ovplyvňujú výkon antény. Hrubší substrát bude mať za následok nižšiu rezonančnú frekvenciu, zatiaľ čo tenší substrát bude mať za následok vyššiu frekvenciu. Dielektrická konštanta materiálu substrátu tiež ovplyvní rezonančnú frekvenciu a šírku pásma antény.
Patch antény sú zvyčajne navrhnuté tak, aby fungovali na špecifickej frekvencii, ktorá je určená veľkosťou a tvarom patchu. Frekvencia môže byť nastavená zmenou dĺžky mikropáskového prívodného vedenia alebo pridaním ladiaceho nástavca do prívodného vedenia.
Výhody a nevýhody patch antén
Výhody
Patch antény sú veľmi obľúbené, pretože sa ľahko vyrábajú a dajú sa vyrobiť veľmi malé. Sú tiež veľmi univerzálne a môžu byť použité pre rôzne aplikácie. Patch antény sú tiež relatívne lacné v porovnaní s inými typmi antén.
Nevýhody
Jednou z hlavných nevýhod patch antén je, že sú veľmi citlivé na prostredie. Výkon antény môže byť ovplyvnený okolitými predmetmi, ako sú steny, nábytok a dokonca aj ľudia. Patch antény sú tiež veľmi citlivé na dielektrický materiál použitý pre substrát. Ak sa dielektrická konštanta substrátu nezhoduje s rezonančnou frekvenciou antény, výkon sa zníži.
Faktory, ktoré je potrebné zvážiť pri navrhovaní patch antény
Pri navrhovaní patch antény je potrebné zvážiť množstvo faktorov, vrátane frekvencie prevádzky, šírky pásma, zisku, účinnosti a vyžarovacieho diagramu.
Frekvencia prevádzky
Frekvencia prevádzky je najdôležitejším faktorom, ktorý treba zvážiť pri navrhovaní patch antény. Veľkosť a tvar náplasti určí frekvenciu, pri ktorej bude anténa rezonovať. Frekvencia môže byť nastavená zmenou dĺžky mikropáskového prívodného vedenia alebo pridaním ladiaceho nástavca do prívodného vedenia.
Šírka pásma
Šírka pásma patch antény je rozsah frekvencií, v ktorých bude anténa efektívne fungovať. Šírka pásma je zvyčajne veľmi úzka, rádovo 1 % až 2 %. Dá sa však zvýšiť použitím hrubšieho substrátu alebo pridaním parazitných prvkov do antény.
Získať
Zisk patch antény je mierou toho, ako dobre bude anténa vyžarovať alebo prijímať elektromagnetické vlny. Zisk je zvyčajne veľmi vysoký, rádovo 10 dBi až 20 dBi. Dá sa však zvýšiť použitím väčšej náplasti alebo pridaním reflektora k anténe.
Efektívnosť
Účinnosť patch antény je mierou toho, koľko vstupného výkonu sa premení na vyžiarený výkon. Účinnosť je zvyčajne veľmi vysoká, rádovo 90 % až 95 %. Môže sa však znížiť použitím stratového substrátu alebo pridaním odporového zaťaženia antény.
Vzor žiarenia
Vyžarovací diagram plošnej antény je mierou toho, ako bude anténa vyžarovať alebo prijímať elektromagnetické vlny v rôznych smeroch. Vyžarovací diagram je zvyčajne veľmi direktívny, čo znamená, že anténa bude najlepšie vyžarovať alebo prijímať v určitom smere. Dá sa však urobiť viac všesmerovým použitím väčšej náplasti alebo pridaním reflektora k anténe.
Záver
Patch antény sú obľúbenou voľbou pre bezdrôtové zariadenia, pretože sa ľahko vyrábajú a môžu byť veľmi malé. Sú však veľmi citlivé aj na prostredie, ktoré môže ovplyvniť ich výkon. Pri navrhovaní bezdrôtového zariadenia so zabudovanou anténou je dôležité zvážiť prevádzkovú frekvenciu, šírku pásma, zisk, účinnosť a vyžarovací diagram. Je tiež dôležité vybrať materiál substrátu, ktorý je prispôsobený rezonančnej frekvencii antény. Zohľadnením týchto faktorov je možné navrhnúť bezdrôtové zariadenie so zabudovanou anténou, ktoré bude dobre fungovať v rôznych prostrediach.
