Antene so pomembne sestavine brezžičnih komunikacijskih sistemov. Odgovorni so za prenos in prejemanje radijskih signalov, ki se uporabljajo za različne aplikacije, vključno z Wi-Fi, Bluetooth, mobilnimi omrežji in satelitsko komunikacijo. Pasovna širina antene je kritični parameter, ki določa njegovo delovanje in primernost za posebne aplikacije. Ta članek bo preučil strategije za povečanje pasovne širine pasovnih anten, ki se pogosto uporabljajo zaradi nizkega profila in enostavnosti izdelave.
Razumevanje patch antenas in njihove pasovne širine pri povečanju strategij pasovnice za izboljšanje pasovne širine
Razumevanje paličnih anten in njihove pasovne širine
Patch antene so vrsta antene za mikrostrup, ki je sestavljena iz sevalnega obliža na eni strani dielektričnega substrata in ozemljitvene ravnine na drugi strani. V sistemih brezžičnih komunikacij se pogosto uporabljajo zaradi nizkega profila, lahkega in enostavnosti izdelave. Patch antene so lahko zasnovane v različnih oblikah, kot so pravokotni, krožni in eliptični, da ustrezajo specifičnim aplikacijam.
Pasovna širina obliževe antene je opredeljena kot frekvenčni razpon, nad katerim antena učinkovito deluje. Običajno se meri kot razlika med zgornjimi in spodnjimi frekvenčnimi točkami, pri katerih je povratna izguba antene večja od 10 dB. Večja pasovna širina omogoča, da anteni deluje v širšem območju frekvenc, kar je bistvenega pomena za sodobne komunikacijske sisteme, ki zahtevajo visoke stopnje podatkov in podpirajo več frekvenčnih pasov.
Patch antene so znane po svoji ozki pasovni širini, ki je običajno manj kot 5% sredinske frekvence. Ta omejitev je predvsem posledica majhnosti sevalnega obliža, kar ima za posledico visoko kakovostni faktor (Q) in posledično ozko pasovno širino. Več dejavnikov vpliva na pasovno širino antenov obližev, vključno z dielektričnim substratom, velikostjo in obliko obliža ter mehanizmom za hranjenje.
Izzivi pri povečanju pasovne širine
Povečanje pasovne širine paličnih anten je zahtevna naloga zaradi prirojenih kompromisov med pasovno širino, dobičkom, učinkovitostjo in velikosti. Ozka pasovna širina patch antene je predvsem posledica njihovega visoko kakovostnega faktorja (Q), kar je merilo energije, shranjene v anteni glede na izgubljeno energijo. Višja vrednost Q povzroči ožjo pasovno širino, nižja vrednost Q pa vodi do širše pasovne širine.
Več dejavnikov prispeva k visokemu q obližnih antenah, vključno z dielektričnim substratom, velikostjo in obliko obliža ter mehanizmom za hranjenje. Izbira dielektričnega substrata je kritična, saj določa učinkovito dielektrično konstanto in izgubo tangenta antene. Prednostni so substrati z tangentom z nizko izgubo in visoko dielektrično konstanto, vendar pogosto povzročijo manjšo velikost in večjo Q.
Velikost in oblika obliža igrata tudi pomembno vlogo pri določanju pasovne širine. Večji obliži imajo ponavadi nižjo Q in širšo pasovno širino, vendar so manj primerni za kompaktne aplikacije. Mehanizem za hranjenje, kot so koaksialna sonda, mikrostalna linija ali sklopka zaslonke, lahko vpliva tudi na pasovno širino z uvedbo dodatnih izgub in resonanc.
Poleg teh dejavnikov lahko medsebojna povezava med več obliži v konfiguraciji matrike vpliva tudi na pasovno širino. Interakcija med sosednjimi obliži lahko privede do sprememb efektivne dielektrične konstante in vzorca sevanja, kar lahko vpliva na celotno delovanje antenske matrike.
Oblikovalske strategije za izboljšanje pasovne širine
Za izboljšanje pasovne širine pasovnih anten je mogoče uporabiti več oblikovalskih strategij. Te strategije vključujejo uporabo debelih dielektričnih substratov, vključevanje parazitskih elementov, uporabo sklopke zaslonke in z uporabo večresonančnih tehnik.
Uporaba debelih dielektričnih substratov: Eden najpreprostejših načinov za povečanje pasovne širine obliževe antene je uporaba debelejšega dielektričnega substrata. Debelejši substrat zmanjšuje Q faktor antene, kar ima za posledico širšo pasovno širino. Vendar lahko ta pristop privede do povečane velikosti in zmanjšane učinkovitosti, kar morda ni primerno za vse aplikacije.
Vključitev parazitskih elementov: parazitski elementi, kot so režiserji in reflektorji, lahko dodate anteni za pasovanje, da se poveča njena pasovna širina. Ti elementi niso neposredno povezani s krmno linijo, ampak sodelujejo z sevalnim obližem z elektromagnetno sklopko. S skrbnim oblikovanjem dolžine in razmika parazitskih elementov se lahko poveča pasovna širina antene. Ta tehnika se običajno uporablja v antenah Yagi-Uda, kjer se za povečanje pasovne širine in pridobivanje uporablja več režiserjev.
Uporaba sklopke zaslonke: sklopka odprtine je tehnika, ki vključuje hranjenje antene za obliž skozi režo ali zaslonko v ozemljitvi. Ta metoda lahko pomaga zmanjšati faktor Q in povečati pasovno širino antene. Sklop zaslonke zagotavlja tudi izboljšano izolacijo med dovodno linijo in sevalnim obližem, kar lahko zmanjša neželeno sklopko in izboljša delovanje antene.
Uporaba večresonančnih tehnik: Večresonančne tehnike vključujejo oblikovanje antene obližev za podporo več resonančnih frekvenc. To je mogoče doseči s kombinacijo različnih oblik, na primer zloženih obližev ali vgrajenih obližev, ali z uvedbo dodatnih resonančnih elementov, kot so reže ali zareze, v obliž. S skrbnim nastavitvijo resonančnih frekvenc se lahko poveča pasovna širina antene. Ta pristop se običajno uporablja v širokopasovnih antenah, kot so antene UWB (ultra široke pasu), ki delujejo v frekvenčnem območju od 3,1 do 10,6 GHz.
Druga učinkovita metoda za povečanje pasovne širine antene za popravke je uporaba večplastne ali zložene konfiguracije. V tem pristopu je več popravkov zloženih navpično, ločenih z dielektričnimi substrati z različnimi dovoljenjem. Interakcija med popravki in dielektričnimi plastmi lahko ustvari dodatne resonance, kar ima za posledico širšo pasovno širino. Ta tehnika je še posebej uporabna za aplikacije, ki zahtevajo kompaktne antene s široko pasovno širino.
Poleg tega lahko uporaba neenakomernih tehnik hranjenja pomaga tudi pri povečevanju pasovne širine antene. Z uporabo konirane ali večkratne krmne linije lahko impedanco ujemajo med dovodno linijo in anteno v širšem frekvenčnem območju. Ta pristop je mogoče kombinirati z drugimi tehnikami izboljšanja pasovne širine, kot so parazitski elementi ali sklop zaslonke, da dosežemo še večjo pasovno širino.
Zaključek
Povečanje pasovne širine obližnih anten je zahteven, a dosegljiv cilj. Z uporabo različnih oblikovalskih strategij, kot so uporaba debelih dielektričnih substratov, vključitev parazitskih elementov, uporaba sklopke zaslonke in z uporabo večresonančnih tehnik, je mogoče znatno izboljšati pasovno širino obliž. Te tehnike se lahko uporabijo posamično ali v kombinaciji za doseganje želene pasovne širine za posebne aplikacije.
Pomembno je opozoriti, da lahko povečanje pasovne širine antene patch pride na ceno drugih parametrov zmogljivosti, kot so dobiček, učinkovitost in velikost. Zato je treba natančno upoštevati posebne zahteve aplikacije in kompromisom, vključene v zasnovo. Z uravnoteženjem teh dejavnikov je mogoče oblikovati antene z želeno pasovno širino in lastnosti zmogljivosti za široko paleto brezžičnih komunikacijskih sistemov.
