Antena de parche

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Antena de parche _ _ _ _ _ _ _ _ La antena de parche consta de una placa metálica delgada y plana ("parche") ubicada a una pequeña distancia (0.01...0.1λ) paralela a la pantalla metálica plana. El espacio entre el parche y la pantalla se puede llenar con una capa dieléctrica (ε = 2.5…10, tgδ = 10 -3 …10 -2 ), y la antena en sí se puede fabricar usando tecnología de placa de circuito impreso ( microstrip o impresoantena de parche). Como regla general, el parche tiene una forma rectangular y la distancia entre los lados radiantes del rectángulo (es decir, la longitud de los lados no emisores) es cercana a la mitad de la longitud de onda operativa (teniendo en cuenta ε).

La alimentación es suministrada por un pin que pasa a través de la pantalla (por ejemplo, siendo una continuación del conductor de señal de la línea coaxial) y desplazado desde el centro del rectángulo hacia uno de sus lados radiantes, o por una línea microstrip, el conductor de señal del cual se ubica en el plano parche y se aproxima a uno de sus lados radiantes. En ambos casos, los conductores de excitación están conectados eléctricamente al parche. También se conoce un método electrodinámico de excitación de un parche a través de una ranura en la pantalla. La polarización de la onda electromagnética emitida en la dirección normal al parche es casi lineal, las soluciones técnicas conocidas permiten formar una onda con polarización circular. La antena de parche del diseño más simple es de banda estrecha (<5%), pero las soluciones técnicas especiales permiten expandir la banda de frecuencia operativa hasta en un 50% o más o construir antenas multibanda.

El principio de funcionamiento de la antena de parche se basa en la resonancia del modo TM 10 en el volumen debajo del parche, la excitación de un campo eléctrico en los espacios a lo largo de dos lados opuestos del parche, que puede considerarse codireccional flujo de una corriente magnética equivalente a lo largo de cada uno de estos lados, y la excitación de una onda electromagnética por estas dos secciones del campo magnético. El funcionamiento de una antena de parche es similar al de un par de antenas de ranura en fase paralelas entre sí , separadas por una pequeña distancia (< λ/2). La radiación de polarización cruzada en una antena de parche de diseño tradicional se debe a la radiación de una corriente magnética a lo largo de los lados del parche, transversal a la principal (es decir, creando radiación en la polarización principal), incluido el modo TM 02 . Esta radiación es compensada por interferencia sólo en los planos E y H y alcanza un máximo (-10 dB) en los planos diagonales.

Hay muchas variedades de antenas de parche que difieren en el método de excitación, la presencia de elementos coincidentes (ranuras en el parche, etc.), la forma de los parches (rectangular, redonda, etc.), su número en un emisor ( uno o más, por regla general, no más de tres ), disposición mutua (coplanar, pila) y el método de conexión mutua (conexión eléctrica, conexión electrodinámica), etc., que resuelven ciertos problemas y difieren en características técnicas. Las antenas de parche son tecnológicamente avanzadas, fáciles de fabricar, baratas, convenientes para usar como elemento radiante de un conjunto de antenas , incluidas antenas para radares aerotransportados, estaciones base para comunicaciones móviles GSM , antenas planas para recibir televisión por satélite , etc. En la banda VHF , una antena de parche se puede fabricar como un dispositivo separado, protegido de influencias externas. La sección del cuerpo de dicho dispositivo opuesta al parche se hace radiotransparente.

Diseño de antena

La antena de parche más simple es un lóbulo cuadrado con un lado igual a la mitad de la longitud de onda, ubicada sobre la placa de tierra más grande. Cuanto mayor sea la placa de tierra, mejor será la directividad de la antena y mayores serán sus dimensiones. A menudo, una placa de tierra se hace solo un poco más que un pétalo. La corriente fluye en la misma dirección que el alimentador, por lo que el vector potencial y, en consecuencia, el campo eléctrico siguen a la corriente, como lo indica la flecha E en la figura . Una antena de parche simple irradia una onda polarizada linealmente. Su radiación puede considerarse como la radiación de dos ranuras en los bordes de la antena o, de manera equivalente, como resultado del flujo de corriente en el lóbulo y la placa de tierra.

Ganancia

La ganancia de una antena de parche dieléctrico de aire de microbanda rectangular se puede estimar aproximadamente de la siguiente manera. Debido a que el lóbulo tiene la mitad de la longitud de onda, se puede pensar en el lóbulo como un dipolo de media onda , que proporciona alrededor de 2 dB de ganancia en el eje vertical del lóbulo. Si el lóbulo es cuadrado, se puede ver como dos dipolos de media onda separados por un cuarto de longitud de onda, dando otros 2-3 dB de ganancia. La placa de tierra protege la radiación de la parte posterior de la antena y reduce la potencia radiada promedio a la mitad, lo que da otros 2-3 dB. Poniéndolo todo junto, obtenemos una ganancia de antena de parche de 7-9 dB, que está en buen acuerdo con estimaciones más estrictas.

Patrón de radiación

A continuación se muestra un patrón de radiación típico de una antena de parche de 900 MHz con polarización lineal. La figura muestra una sección en un plano horizontal. El patrón vertical es similar, pero no idéntico. La escala del gráfico es logarítmica, de modo que, por ejemplo, la potencia radiada en la dirección de 180° (90° a la izquierda del eje vertical) es 15 dB menor que la potencia del lóbulo principal. El ancho del lóbulo principal es de unos 65°, la ganancia en la dirección del haz es de 9 dBi . Una placa de tierra infinitamente grande protege completamente el hemisferio posterior (de 180° a 360°); sin embargo, la placa de tierra de una antena real tiene dimensiones finitas. Por lo tanto, la potencia de radiación en la dirección inversa (lóbulo posterior) es menor que la potencia de radiación del lóbulo principal en solo unos 20 dB.

Ancho de banda

El ancho de banda de una antena de parche depende en gran medida de la distancia entre el lóbulo y el suelo. Cuanto más cerca esté el lóbulo del suelo, menos energía se irradia y más se almacena en capacitancia e inductancia, y mayor es el factor de calidad de la antena. Aproximadamente, el ancho de banda de una antena se puede estimar mediante la fórmula:

,

donde es la distancia del lóbulo al suelo, es el ancho del lóbulo (generalmente la mitad de la longitud de onda), es la impedancia del espacio de aire entre el lóbulo y el suelo, y es la resistencia a la radiación de la antena . El ancho de banda relativo de una antena depende linealmente de su grosor. El valor característico de la impedancia del entrehierro es de 377 ohmios, y la resistencia a la radiación es de 150 ohmios, lo que permite simplificar la fórmula. :

Para un lóbulo cuadrado de 900 MHz, esto sería de aproximadamente 16 cm. Un grosor de antena de 1,6 cm daría un ancho de banda relativo de 1,2 (1,6/16) ≈ 12%, o 120 MHz.

Las antenas de parche son fáciles de imprimir. En este caso, son un poco más compactos, pero al ser más delgados, el ancho de banda también disminuye debido al aumento del factor Q. Así, el ancho de banda de la antena es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la permitividad efectiva del sustrato. También está claro que el ancho de banda aumenta al aumentar el grosor del sustrato. El ancho de banda característico de una antena de parche impreso es un pequeño porcentaje. A menudo, la placa de tierra de las antenas de parche reales es solo un poco más grande que el lóbulo, lo que también reduce la eficiencia. La forma en que se maneja una antena también afecta su ancho de banda.

Las antenas rectangulares (no cuadradas) se pueden utilizar para producir un patrón de radiación en forma de abanico en el que los anchos de los lóbulos verticales y horizontales son significativamente diferentes. Además de los pétalos cuadrados, también se pueden utilizar pétalos redondos o poligonales. El cálculo de las características de radiación de tales antenas es mucho más complicado.

Polarización circular

Es posible fabricar una antena de parche con polarización circular. Una forma es alimentar un lóbulo cuadrado ordinario desde dos puntos desfasados ​​90°. En este caso, cuando, digamos, la corriente vertical es máxima, la corriente horizontal es 0. Un cuarto de ciclo después, la situación se invierte y el campo se vuelve horizontal. El campo radiado rotará en el tiempo, por lo que su polarización será circular. Al cambiar la cantidad de cambio de fase entre dos puntos de alimentación, se puede lograr cualquier polarización, desde lineal a circular. Otra forma de lograr la polarización circular es alimentar un lóbulo cuadrado desde un punto, pero cortar una ranura asimétrica u otro orificio con forma para cambiar la dirección de la corriente. Vale la pena señalar que aunque los lóbulos del disco se pueden usar para esta técnica, no necesariamente están polarizados circularmente. Por ejemplo, un lóbulo de disco simétrico alimentado en un punto emite ondas polarizadas linealmente. Finalmente, si un pétalo casi cuadrado, que tiene una longitud ligeramente mayor y una anchura ligeramente inferior a la mitad de la longitud de onda, se alimenta en un punto angular, entonces la polarización de su radiación será circular.

Literatura

Notas