Antenner är viktiga komponenter i trådlösa kommunikationssystem. De ansvarar för att överföra och ta emot radiosignaler, som används för olika applikationer, inklusive Wi-Fi, Bluetooth, mobilnät och satellitkommunikation. Bandbredden för en antenn är en kritisk parameter som bestämmer dess prestanda och lämplighet för specifika applikationer. Den här artikeln kommer att utforska strategier för att öka bandbredden för patchantenner, som används allmänt på grund av deras låga profil och enkel tillverkning.
Förstå patchantenner och deras bandwidthchallenges i att öka bandbreddesignstrategierna för att förbättra bandbredskonfluering
Förstå patchantenner och deras bandbredd
Patchantenner är en typ av mikrostripantenn som består av en strålande lapp på ena sidan av ett dielektriskt underlag och ett markplan på andra sidan. De används ofta i trådlösa kommunikationssystem på grund av deras låga profil, lätta och enkel tillverkning. Patchantenner kan utformas i olika former, såsom rektangulära, cirkulära och elliptiska, för att passa specifika applikationer.
Bandbredden för en patchantenn definieras som frekvensområdet som antennen fungerar effektivt. Det mäts vanligtvis som skillnaden mellan de övre och lägre frekvenspunkterna vid vilka antennens avkastningsförlust är större än 10 dB. En högre bandbredd gör det möjligt för antennen att arbeta över ett bredare frekvensområde, vilket är viktigt för moderna kommunikationssystem som kräver höga datahastigheter och stöder flera frekvensband.
Patchantenner är kända för sin smala bandbredd, som vanligtvis är mindre än 5% av mittfrekvensen. Denna begränsning beror främst på den lilla storleken på den strålande lappen, vilket resulterar i en högkvalitativ faktor (Q) och följaktligen smal bandbredd. Flera faktorer påverkar bandbredden för patchantenner, inklusive det dielektriska underlaget, storleken och formen på lappen och utfodringsmekanismen.
Utmaningar i att öka bandbredden
Att öka bandbredden för patchantenner är en utmanande uppgift på grund av de inneboende avvägningarna mellan bandbredd, förstärkning, effektivitet och storlek. Den smala bandbredden för patchantenner beror främst på deras högkvalitativa faktor (Q), vilket är ett mått på energin lagrad i antennen relativt den förlorade energin. Ett högre Q -värde resulterar i smalare bandbredd, medan ett lägre Q -värde leder till bredare bandbredd.
Flera faktorer bidrar till den höga q av patchantenner, inklusive det dielektriska underlaget, storleken och formen på lappen och utfodringsmekanismen. Valet av dielektriskt substrat är kritiskt, eftersom det bestämmer den effektiva dielektriska konstanten och förlusttangenten i antennen. Substrat med tangent med låg förlust och hög dielektrisk konstant föredras, men de resulterar ofta i mindre storlek och högre Q.
Patchens storlek och form spelar också en viktig roll för att bestämma bandbredden. Större lappar tenderar att ha lägre Q och bredare bandbredd, men de är mindre lämpliga för kompakta applikationer. Matningsmekanismen, såsom koaxialsond, mikrostriplinje eller bländarkoppling, kan också påverka bandbredden genom att införa ytterligare förluster och resonanser.
Utöver dessa faktorer kan den ömsesidiga kopplingen mellan flera korrigeringar i en matriskonfiguration också påverka bandbredden. Interaktionen mellan angränsande lappar kan leda till förändringar i det effektiva dielektriska konstanten och strålningsmönstret, vilket kan påverka antenngruppens totala prestanda.
Designstrategier för att förbättra bandbredd
Flera designstrategier kan användas för att förbättra bandbredden för patchantenner. Dessa strategier inkluderar att använda tjocka dielektriska substrat, integrera parasitiska element, använda bländarkoppling och använda multiresonanttekniker.
Användning av tjocka dielektriska substrat: Ett av de enklaste sätten att öka bandbredden för en patchantenn är att använda ett tjockare dielektriskt substrat. Ett tjockare underlag minskar antennens Q -faktor, vilket resulterar i bredare bandbredd. Detta tillvägagångssätt kan emellertid leda till ökad storlek och minskad effektivitet, vilket kanske inte är lämpligt för alla applikationer.
Inkorporering av parasitiska element: Parasitiska element, såsom regissörer och reflektorer, kan läggas till patchantennen för att förbättra sin bandbredd. Dessa element är inte direkt anslutna till matningslinjen utan interagerar med den utstrålande lappen genom elektromagnetisk koppling. Genom att noggrant utforma längden och avståndet mellan parasitiska elementen kan antennens bandbredd ökas. Denna teknik används vanligtvis i Yagi-Uda-antenner, där flera regissörer används för att öka bandbredden och förstärkningen.
Anställning av bländarkoppling: Aperture -koppling är en teknik som innebär att mata lappantennen genom en plats eller bländare i markplanet. Denna metod kan hjälpa till att minska Q -faktorn och öka bandbredden för antennen. Aperture -koppling ger också förbättrad isolering mellan matningslinjen och den utstrålande lappen, vilket kan minska oönskad koppling och förbättra antennens prestanda.
Använda multiresonanttekniker: Multi-resonanttekniker involverar utformning av patchantennen för att stödja flera resonansfrekvenser. Detta kan uppnås genom att använda en kombination av olika lappformer, såsom staplade fläckar eller inbäddade fläckar, eller genom att införa ytterligare resonanselement, såsom spår eller skåror, i lappen. Genom att försiktigt ställa in resonansfrekvenserna kan antennens bandbredd ökas. Detta tillvägagångssätt används vanligtvis i bredbandsantenner, såsom UWB (ultravedjebandet) antenner, som arbetar över ett frekvensområde från 3,1 till 10,6 GHz.
En annan effektiv metod för att öka bandbredden för patchantenner är att använda en flerskikts- eller staplad konfiguration. I detta tillvägagångssätt staplas flera fläckar vertikalt, separerade med dielektriska underlag med olika permittiviteter. Interaktionen mellan lapparna och de dielektriska skikten kan skapa ytterligare resonanser, vilket resulterar i bredare bandbredd. Denna teknik är särskilt användbar för applikationer som kräver kompakta antenner med bred bandbredd.
Dessutom kan användningen av icke-enhetliga utfodringstekniker också bidra till att öka bandbredden för patchantenner. Genom att använda en avsmalnande eller flera sektionsmatning kan impedansmatchningen mellan matningslinjen och antennen förbättras över ett bredare frekvensområde. Detta tillvägagångssätt kan kombineras med andra bandbreddförbättringstekniker, såsom parasitelement eller kopplingskoppling, för att uppnå ännu större bandbredd.
Slutsats
Att öka bandbredden för patchantenner är ett utmanande men möjligt mål. Genom att använda olika designstrategier, såsom att använda tjocka dielektriska substrat, integrera parasitiska element, använda bländarkoppling och använda multi-resonanttekniker, kan bandbredden för patchantenner förbättras avsevärt. Dessa tekniker kan användas individuellt eller i kombination för att uppnå önskad bandbredd för specifika applikationer.
Det är viktigt att notera att ökad bandbredd för patchantenner kan komma till bekostnad av andra prestandaparametrar, såsom förstärkning, effektivitet och storlek. Därför bör noggrant överväga de specifika kraven i applikationen och de avvägningar som är involverade i designen. Genom att balansera dessa faktorer är det möjligt att designa patchantenner med önskad bandbredd och prestandaegenskaper för ett brett utbud av trådlösa kommunikationssystem.
