Что такое патч антенна
Патч антенна
Патч антенна — популярный тип узкополосной СВЧ антенны состоящей из плоского металлического лепестка, закрепленного на некотором расстоянии параллельно пластине земли. Обычно, эту конструкцию заключают в пластиковый радиопрозрачный кожух, как для защиты от механических повреждений, так и из эстетических соображений. Такие антенны просты в изготовлении и легко могут быть модифицированы под определенные технические условия. Патч антенна может использоваться как отдельное устройство так и в качестве облучателя для построения более эффективных систем на основе параболлических отражателей. Патч антенны очень похожи на микрополосковые антенны, которые есть ни что иное, как патч антенны размещенные на диэлектрической подложке.
Содержание
Конструкция антенны
Простейшая патч антенна представляет собой квадратный лепесток со стороной равной половине длины волны расположенный над большей по размеру пластине земли. (Чем больше пластина земли, тем лучше направленность антенны и больше ее габариты. Нередко пластину земли делают лишь немногим больше лепестка.) Ток протекает в том же направлении, что и фидер, так, что векторный потенциал и, соответственно, электрическое поле следуют за током, как обозначено на рисунке стрелкой E. Простая патч антенна излучает линейно поляризованную волну. Ее излучение может быть рассмотрено как излучение двух щелей по краям антенны или, эквивалентно, как результат протекание тока в лепестке и пластине земли.
Коэффициент усиления
Коэффициент усиления прямоугольной микрополосковой патч антенны с воздушным диэлектриком может быть грубо оценен следующим образом. Поскольку длина лепестка равна половине длины волны, лепесток можно предствать как полуволновой диполь, что дает около 2 dB усиления в вертикальной оси лепестка. Если лепесток квадратный, его можно рассматривать как два полуволновых диполя, разнесенных на четверть длины волны, что дает еше 2-3 dB усиления. Пластина земли экранирует излучение с обратной стороны антенны, и сокращает среднюю по объему излучаемую мощность вдвое, что дает еще 2-3 dB. Сложив все вместе, получим коэффициент усилиения патч антенны равный 7-9 dB, что неплохо согласуется с более строгими оценками.
Диаграмма направленности
Типичная диаграмма направленности линейно-поляризованной патч антенны на 900 МГц показана ниже. На рисунке показано сечение в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости похожа, но не идентична. Масштаб графика логарифмический, так что, например, мощность, излучаемая в направлении 180° (90° влево от вертикальной оси) на 15 dB меньше мощности основного лепестка. Ширина основного лепестка около 65°, коэффициент услиения в направлении луча 9 dBi. Бесконечно большая пластина земли полностью экранирует заднюю полусферу (от 180° до 360°), однако, пластина земли реальной антенны имеет конечные размеры. Поэтому мощность излучения в обратном направлении (задний лепесток диаграммы направленности) меньше мощности излучения основного лепестка всего лишь примерно на 20 dB.
Полоса пропускания
Ширина полосы пропускания патч антенны сильно зависит от расстояния между лепестком и землей. Чем ближе лепесток к земле, тем меньше энергии излучается и больше запасается в емкости и индуктивности и тем выше добротность антенны. Грубо, полосу пропускания антенны можно оценить по формуле:
Для квадратного лепестка на 900 МГц, W будет приблизительно 16 см. Толщина антенны в 1.6 см даст относительную ширину полосы пропускания в 1.2(1.6/16) ≈ 12%, или 120 МГц.
Патч антенны легко изготавливать печатным способом. В этом случе они получаются немного компактнее, но, поскольку их толщина меньше, полоса пропускания также уменьшаестся из-за увеличения добротности. Уменьшение полосы пропускания пропорционально диэлектрической проницаемости подложки. Характерная ширина полосы пропускания печатной патч антенны составляет единицы процентов. Часто, пластина земли реальных патч антенн лишь немного больше лепестка, что также уменьшает эффективность. Способ возбуждения антенны также влияет на ее полосу пропускания.
Прямоугольные (не квадратные) антенны могут быть использованы для получения веерной диаграммы направленности, у которой ширина вертикального и горизонтального лепестков существенно различаются. Кроме квадратных, могут также использоваться круглые или многоугольные лепестки. Расчет излучающих характеристик таких антенн значительно сложнее.
Круговая поляризация
Возможно изготовить патч антенну с круговой поляризацией. Один из способов, питать обычный квадратный лепесток из двух точек, отстающих по фазе на 90°. В этом случае, когда, скажем, вертикальный ток максимален, горизонтальный ток равен 0. Четверть цикла спустя, ситуация становится обратной и поле становится горизонтальным. Излучаемое поле будет вращаться во времени, таким образом его поляризация будет круговой. Меняя величину фазового сдвига между двумя точками питания, можно добиться любой поляризации, от линейной до круговой. Другой способ добиться круговой поляризации, это питать квадратный лепесток из одной точки, но прорезать в нем асимметричную щель или отверстие иной формы для того чтобы сместить направление тока. Стоит отметить, что хотя дисковые лепестки и могут использоваться для такой техники они не обязательно имеют круговую поляризацию. Например, симметричный дисковый лепесток, питаемый в одной точке, излучает линейно поляризованные волны. Наконец, если почти квадратный лепесток, у которого длина немногим больше, а ширина немногим меньше половины длины волны питать в точке угла, то поляризация его излучения будет круговой.
Патч-антенна
Патч-антенна — тип узкополосной СВЧ антенны, состоящей из плоского металлического лепестка, закрепленного на некотором расстоянии параллельно пластине земли. Обычно, эту конструкцию заключают в пластиковый радиопрозрачный кожух, как для защиты от механических повреждений, так и из эстетических соображений. Такие антенны просты в изготовлении и легко могут быть модифицированы под определенные технические условия. Патч-антенна может использоваться как отдельное устройство, так и в качестве облучателя для построения более эффективных систем на основе параболлических отражателей. Патч-антенны очень похожи на микрополосковые антенны, которые есть ни что иное, как патч-антенны, размещенные на диэлектрической подложке.
Содержание
Конструкция антенны
Простейшая патч-антенна представляет собой квадратный лепесток со стороной равной половине длины волны, расположенный над большей по размеру пластине земли. Чем больше пластина земли, тем лучше направленность антенны и больше ее габариты. Нередко пластину земли делают лишь немногим больше лепестка. Ток протекает в том же направлении, что и фидер, так, что векторный потенциал и, соответственно, электрическое поле следуют за током, как обозначено на рисунке стрелкой E. Простая патч-антенна излучает линейно поляризованную волну. Ее излучение может быть рассмотрено как излучение двух щелей по краям антенны или, эквивалентно, как результат протекание тока в лепестке и пластине земли.
Коэффициент усиления
Коэффициент усиления прямоугольной микрополосковой патч-антенны с воздушным диэлектриком может быть грубо оценен следующим образом. Поскольку длина лепестка равна половине длины волны, лепесток можно предствать как полуволновой диполь, что дает около 2 дБ усиления в вертикальной оси лепестка. Если лепесток квадратный, его можно рассматривать как два полуволновых диполя, разнесенных на четверть длины волны, что дает ещё 2-3 дБ усиления. Пластина земли экранирует излучение с обратной стороны антенны и сокращает среднюю по объему излучаемую мощность вдвое, что дает еще 2-3 дБ. Сложив все вместе, получим коэффициент усиления патч-антенны равный 7-9 дБ, что неплохо согласуется с более строгими оценками.
Диаграмма направленности
Типичная диаграмма направленности линейно-поляризованной патч-антенны на 900 МГц показана ниже. На рисунке показано сечение в горизонтальной плоскости. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости похожа, но не идентична. Масштаб графика логарифмический, так что, например, мощность, излучаемая в направлении 180° (90° влево от вертикальной оси) на 15 дБ меньше мощности основного лепестка. Ширина основного лепестка около 65°, коэффициент услиения в направлении луча 9 dBi. Бесконечно большая пластина земли полностью экранирует заднюю полусферу (от 180° до 360°), однако, пластина земли реальной антенны имеет конечные размеры. Поэтому мощность излучения в обратном направлении (задний лепесток диаграммы направленности) меньше мощности излучения основного лепестка всего лишь примерно на 20 дБ.
Полоса пропускания
Ширина полосы пропускания патч-антенны сильно зависит от расстояния между лепестком и землей. Чем ближе лепесток к земле, тем меньше энергии излучается и больше запасается в емкости и индуктивности и тем выше добротность антенны. Грубо, полосу пропускания антенны можно оценить по формуле:
,
где 
— расстояние от лепестка до земли, 
— ширина лепестка (обычно половина длины волны), 
— импеданс воздушного промежутка между лепестком и землей, а 
— сопротивление излучения антенны. Относительная полоса пропускания антенны линейно зависит от ее толщины. Характерное значение импеданса воздушного промежутка 377 Ом, а сопротивления излучения 150 Ом, что позволяет упростить формулу:
Для квадратного лепестка на 900 МГц, будет приблизительно 16 см. Толщина антенны в 1,6 см даст относительную ширину полосы пропускания в 1,2(1,6/16) ≈ 12 %, или 120 МГц.
Патч-антенны легко изготавливать печатным способом. В этом случе они получаются немного компактнее, но, поскольку их толщина меньше, полоса пропускания также уменьшаестся из-за увеличения добротности.Таким образом, полоса пропускания антенны обратно пропорциональна квадратному корню из эффективной диэлектрической проницаемости подложки. Также очевидно, что полоса пропускания расширяется с увеличением толщины подложки. Характерная ширина полосы пропускания печатной патч-антенны составляет единицы процентов. Часто, пластина земли реальных патч-антенн лишь немного больше лепестка, что также уменьшает эффективность. Способ возбуждения антенны также влияет на ее полосу пропускания.
Прямоугольные (не квадратные) антенны могут быть использованы для получения веерной диаграммы направленности, у которой ширина вертикального и горизонтального лепестков существенно различаются. Кроме квадратных, могут также использоваться круглые или многоугольные лепестки. Расчет излучающих характеристик таких антенн значительно сложнее.
Круговая поляризация
Возможно изготовить патч-антенну с круговой поляризацией. Один из способов, питать обычный квадратный лепесток из двух точек, отстающих по фазе на 90°. В этом случае, когда, скажем, вертикальный ток максимален, горизонтальный ток равен 0. Четверть цикла спустя, ситуация становится обратной и поле становится горизонтальным. Излучаемое поле будет вращаться во времени, таким образом его поляризация будет круговой. Меняя величину фазового сдвига между двумя точками питания, можно добиться любой поляризации, от линейной до круговой. Другой способ добиться круговой поляризации, это питать квадратный лепесток из одной точки, но прорезать в нем асимметричную щель или отверстие иной формы для того чтобы сместить направление тока. Стоит отметить, что хотя дисковые лепестки и могут использоваться для такой техники они не обязательно имеют круговую поляризацию. Например, симметричный дисковый лепесток, питаемый в одной точке, излучает линейно поляризованные волны. Наконец, если почти квадратный лепесток, у которого длина немногим больше, а ширина немногим меньше половины длины волны питать в точке угла, то поляризация его излучения будет круговой.
Что такое патч антенна
Касаясь темы антенн для 3G 4G и Wi-Fi, мы не можем обойти вниманием патч-антенны. Появление таких антенн возникло с развитием микрополосковой СВЧ технологии, в частности теории микрополосковых длинных линий передачи. Впервые идея такой антенны была предложена еще в 1954 году, однако тогда еще не было подложек для печатных плат с небольшими потерями и она была забыта. Второе рождение патч антенны состоялось в 1972 после доклада американца Роберта Мюнсона на научном симпозиуме. Антенна была им разработана для подвижных объектов, да и сейчас она пользуется особой популярностью у фанатов FPV.
Микрополосковые антенны на печатной плате применяются почти в каждом модеме или другом устройстве в качестве встроенной антенны. Такие антенны весьма технологичны и имеют низкую стоимость при массовом производстве. Не считая фрактальных структур, печатные антенны могут быть вибраторными, щелевыми, плоскими двумерными структурами. Последние представляют собой печатный излучатель в виде квадратной (прямоугольной) или круглой (эллиптической) пластины расположенной над слоем диэлектрика с металлическим экраном, другими словами изготовленные на базе двусторонней печатной платы. Это и есть патч-антенны.
К недостаткам печатных антенн относится их низкий КПД и относительная узкополосность 2Δf/f0 Именно антенны с «воздушной» подложкой стоит применять в диапазонах 3G-4G. Ну и следующий логический шаг. Если к такому воздушному патчу добавить собирающую структуру в виде таких же квадратных пассивных элементов, по типу директоров в Uda-Yagi, мы можем значительно поднять коэффициент усиления такой антенны.
Если к патчу подключить второй фидер по оси Y на таком же расстоянии x0 от края, мы получим простейшую MIMO антенну, которую можно использовать в ближней зоне приема или как облучатель зеркальной антенны в случае дальней зоны от базовой станции. Срезав два противоположных угла антенны, мы получим круговую поляризацию, но для 3G-4G, Wi-Fi антенны это не актуально.
Микрополосковая антенна
Рисунок 1. Вид простой патч-антенны в разрезе
Рисунок 1. Вид простой патч-антенны в разрезе
Микрополосковая антенна
Микрополосковая антенна (печатная антенна, патч-антенна, англ. Patch-antenna ) представляет собой узкополосную антенну с широким лучом. Физически такая антенна имеет двумерную геометрию. Основным элементом патч-антенны является плоская металлическая пластина («пятачок», от англ. patch – заплатка). В простейшей микрополосковой антенне используются пластины полуволновой длины, так что металлическая поверхность этих пластин действует как резонатор подобно полуволновому диполю. Микрополосковая антенна обычно изготавливается путем помещения металлической пластины заданной формы на изолирующем слое диэлектрика, подобно тому, как делают печатные платы, с той разницей, что на противоположной от пластины стороне диэлектрика устанавливается сплошная металлическая подложка, которая образует заземляющую поверхность. Такая конструкция проста в разработке и недорога в изготовлении. В некоторых патч-антеннах не используется сплошной слой диэлектрика, взамен чего металлические пластины устанавливаются над металлической подложкой на диэлектрических прокладках. Получающаяся структура является менее прочной, но имеет более широкую рабочую полосу частот. Микрополосковые антенны разрабатываются для частот от УВЧ-диапазона до 100 GHz.
В патч-антеннах в основном используются пластины квадратной, прямоугольной, круговой или эллиптической формы. Однако, возможно использование и любых других сплошных (непрерывных) форм. Патч-антенны характеризуются механической прочностью и могут иметь форму, соответствующую изогнутой поверхности транспортного средства. Такие антенны устанавливаются на внешних поверхностях самолетов или космических аппаратов, а также встраиваются в мобильные устройства радиосвязи. Они обладают высокой поляризационной избирательностью и могут использоваться для нескольких точек питания.
Рисунок 2. Микрополосковая антенная решетка морского навигационного FMCW-радиолокатора X-диапазона
Достоинства
Рисунок 2. Микрополосковая антенная решетка морского навигационного FMCW-радиолокатора X-диапазона
Рисунок 2. Микрополосковая антенная решетка морского навигационного FMCW-радиолокатора X-диапазона
Недостатки
Микрополосковые антенны появились в 1980-х годах. Изначально это была военная разработка, поэтому стоимость не имела решающего значения. В 1990-х эта технология была также адаптирована для устройств связи как низкозатратная технология. Однако эффективность микрополосковых решеток оставалась ниже, чем рефлекторных антенн. Далее приводится сравнение основных свойств антенн этих двух типов.
Микрополосковые антенны
Рефлекторные антенны
Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)
Как изменились антирадары: рупорные и патч-антенны
Эволюция автомобильных радар-детекторов очень похожа на путь развития смартфонов. Сначала были крупные устройства без экрана или с совсем небольшим служебным дисплеем, но со временем экран становился больше, появились GPS-возможности, камера, поддержка карт памяти и беспроводных технологий для передачи видео в «облако»… Чем отличаются современные антирадары?
Перед нами уже не просто антирадар, а полноценное комбо-устройство из видеорегистратора и радар-детектора, которое умеет само включаться в случае ДТП или столкновения на парковке, делать бэкапы видео в защищённый отсек памяти, скачивать свежие карты с GPS-координатами радаров и спидкамов и отличать по сигнатуре эти же радары от, например, автоматических дверей супермаркетов, чтобы избежать ложных срабатываний.
Смартфоны при этом становятся всё тоньше, так что логично предположить, что современные радар-детекторы тоже будут активно «худеть», но это справедливо только для части из них. Почему? Всё дело в технологиях приёма сигналов от радаров. Чаще всего в конструкции радар-детекторов и комбо-устройств используются антенны двух типов: рупорные и патч-антенны, они же фазированные решётки. О них и поговорим.
Рупор: проверенные и надёжные
Рупорная антенна — это, как ни странно, антенна с применением специального металлического рупора, который улавливает радиосигналы от радаров и передаёт их процессору радар-детектора для обработки и идентификации. Для большей эффективности некоторые производители не только отливают свои рупоры с использованием качественных форм, но и полируют поверхность входящего рупора, что улучшает его ТТХ. Другие добавляют к схеме рупорной антенны усилители, которые увеличивают дальность обнаружения радаров.
Хотя и без усилителей главным преимуществом устройств с рупорной антенной становится дальность и точность их работы. Именно поэтому рупоры перекочевали в комбо-устройства многих производителей без особых изменений.
Но помимо самого радар-детектора в автомобильном комбо-устройстве есть ещё GPS-модуль, ЖК-экран, камера, другие элементы… и всё это нужно уместить в сравнительно компактный корпус, который не будет обрывать крепление под собственным весом. Ходовка и бактерии: как подготовить машину к лету
«И вот здесь мы сталкиваемся с основной и практически единственной проблемой рупорных антенн: их габаритами и ориентацией. Чтобы рупор эффективно улавливал радиосигналы от радаров, он обязательно должен быть расположен горизонтально, в направлении движения автомобиля. Это накладывает ограничения на конструкцию радар-детекторов и комбо-устройств и увеличивает их габариты» — поясняют эксперты Mio Technology.
Устройство с рупорной антенной легко можно отличить по вытянутому горизонтальному корпусу, хотя современные решения, включая и новые комбо-устройства Mio, стали намного меньше своих предшественников. Но некоторые производители пошли дальше и встроили видеорегистраторы…
Патч-антенны: современные и тонкие
Патч-антенна или фазированная решётка — это энное количество антенн или «вибраторов» на плате, которые работают совместно, чтобы улавливать радиосигналы от радаров.
Обычно в конструкции решётки используются отдельные группы элементов для работы с разными диапазонами, но на российских дорогах это не слишком принципиально, так как чаще всего у нас нужны только радар-детекторы для диапазона К.
В отличие от рупорной антенны, схему с фазированной решёткой вполне можно разместить вертикально, что позволяет превратить комбо-устройство в подобие фотоаппарата-мыльницы, то есть небольшую коробочку с объективом авторегистратора спереди и дисплеем, который может занимать хоть всю заднюю стенку корпуса (особенно, если сделать экран сенсорным).
Выглядит такое устройство компактней и часто эстетичней вытянутого горизонтально «рупора», но есть одно важное «но». Фазированные решётки появились в комбо-устройствах не только ради красоты, но и для снижения расходов, так как рупорные антенны в производстве обходятся дороже. А дешевле — это далеко не всегда лучше.
Современные фазированные решётки, кроме самых продвинутых и дорогих решений с большим количеством элементов, отличаются меньшим рабочим расстоянием и меньшей точностью определения радаров. В дорожных условиях, особенно, на скоростных трассах, это может означать, что система просто не успеет заранее предупредить водителя о приближении радара.