Методы питания микрополосковых антенн: типы и выбор.

Что такое питание микрополосковой антенны?

Фидер соединяет источник или приемник радиочастотного сигнала с излучающей пластиной, преобразуя при этом импеданс системы во входной импеданс антенны. В практической конструкции фидер является частью антенны, а не отдельной деталью. Его геометрия изменяет распределение тока, резонансную частоту, коэффициент отражения, полезную полосу пропускания и нежелательное излучение.

Обычно микрополосковые антенны делятся на антенны с прямым контактом и антенны с электромагнитной связью. Микрополосковые линии и коаксиальные зонды обеспечивают прямой электрический контакт с антенной патчем. Антенны с апертурной и ближней связью передают энергию посредством электромагнитной связи и обычно используют более одного слоя подложки.

Четыре основных метода питания микрополосковых антенн

1. Подача сигнала по микрополосковой линии

В микрополосковой линии питания печатная линия передачи напрямую подключается к патчу. Линия и патч могут быть изготовлены на одной подложке в рамках одного технологического процесса изготовления печатных плат, что делает этот метод простым, компактным и подходящим для недорогого производства и создания множества печатных матриц.

Согласование импеданса можно регулировать, изменяя ширину линии питания, используя вставку, добавляя четвертьволновой трансформатор или оптимизируя соединение между линией и патчем. Основным ограничением является то, что линия питания также излучает. Это паразитное излучение может влиять на кросс-поляризацию и диаграмму направленности, особенно когда подложка относительно толстая или сеть питания длинная.

2. Коаксиальный зонд

Коаксиальный зонд проходит через заземляющую плоскость и подложку. Внешний проводник коаксиального кабеля подключен к заземляющей плоскости, а внутренний — к контактной площадке. Перемещение зонда обеспечивает удобный способ выбора желаемого входного сопротивления без нанесения линии питания на излучающую поверхность.

Этот метод обеспечивает гибкое размещение точек питания и, как правило, низкое излучение линии питания, но требует сверления и надежного электрического соединения. Длинный зонд вносит индуктивность, поэтому характеристики могут ухудшаться при использовании электрически толстых подложек или на более высоких частотах. Поэтому в окончательную модель следует включить геометрию разъема, объем припоя и допуски при изготовлении.

3. Подача с апертурным соединением

В схеме с апертурной связью линия передачи располагается под заземляющей плоскостью, а излучающая пластина — над ней. Энергия проходит через щель в заземляющей плоскости. Поскольку заземляющая плоскость отделяет сеть питания от излучающей пластины, такая схема обеспечивает хорошую изоляцию между питанием и излучателем и может уменьшить нежелательное излучение от питания.

Размеры щели, ее положение, длина ответвления питающей линии, толщина подложки и диэлектрические постоянные — все это влияет на связь и согласование. Апертурная связь может обеспечивать более широкую полосу пропускания, чем многие прямые источники питания, но требует многослойной структуры и точного выравнивания между линией, щелью и патчем.

4. Подача с использованием метода бесконтактной связи

В системе с электромагнитной связью, также называемой системой с контактной связью, микрополосковая линия располагается под патчем и отделена от него диэлектрическим слоем. Линия частично перекрывает патч, и энергия передается через электромагнитное поле. Прямого электрического соединения нет, и в заземляющей плоскости нет щели.

Длина перекрытия, положение линий, свойства подложки и толщина слоя определяют связь. Этот метод может обеспечить широкую полосу пропускания по импедансу и низкий уровень паразитного излучения, но двухслойная структура толще и более чувствительна к допускам выравнивания и склеивания.

Сравнение методов питания микрополосковых антенн

Способ кормления	Типичный потенциал полосы пропускания	Изготовление	Изоляция источника излучения	Наиболее подходит для
Микрополосковая линия	Узкий до умеренного	Простая однослойная печатная плата	Больше излучения в питающей линии	Невысокопрофильные и недорогие печатные конструкции и массивы.
Коаксиальный зонд	Узкий до умеренного	Бурение и вертикальное соединение	Низкий уровень излучения в питающей линии	Гибкая настройка точки питания для одного элемента
Апертурно-связанный	от умеренного до широкого	Многослойная конструкция с выравниванием пазов	Хорошая изоляция корма	Конструкции, требующие изоляции и более широкой полосы пропускания.
Близость-связанный	Широкий	Многослойная структура с перекрытием	Низкий уровень паразитного излучения	Широкополосные конструкции, в которых допустимо увеличение толщины.

Это относительные тенденции в проектировании, а не гарантированные фиксированные характеристики. Форма элемента, потери в подложке, диэлектрическая постоянная, толщина, частота, длина питающей сети и допуски при производстве могут повлиять на результат.

Как выбрать правильный способ кормления

• Требуемая пропускная способность:Для узкополосных систем часто достаточно прямого подключения. При необходимости более широкой полосы пропускания по импедансу может быть предпочтительнее использовать апертурную или бесконтактную связь.
• Профиль и количество слоев:Подача материала по микрополосковой линии позволяет сохранить тонкость конструкции и упростить ее изготовление. Использование сопряженных систем подачи требует дополнительных слоев и выравнивания.
• Радиационная чистота:Если критически важна изоляция между питающей сетью и задней панелью, то структура с апертурным соединением может отделить питающий кабель от патча.
• Интеграция массива:Печатные микрополосковые сети удобны для использования в массивах, но потери в линиях и паразитное излучение возрастают по мере увеличения длины сети. Необходимо одновременно оценивать компоновку сети и допуски по амплитуде/фазе.
• Частота и допуск:На миллиметровых частотах переходы в разъемах, допуски травления, толщина подложки и ошибки совмещения становятся электрически значимыми.
• Ограничения по мощности и тепловым параметрам:Для заданного уровня мощности необходимо проверить потери в проводнике, диэлектрический нагрев, плотность тока в разъеме и локальную концентрацию поля.
• Стоимость и воспроизводимость:Конструкция с наилучшей имитированной полосой пропускания может оказаться неоптимальным вариантом для производства, если она требует сложных методов склеивания или точного выравнивания многослойных конструкций.

Как выбрать точку подключения коаксиального зонда

Правильное положение зонда — это точка, обеспечивающая целевое входное сопротивление при возбуждении нужного режима с приемлемой кросс-поляризацией. Оно не должно автоматически выбираться в центре патча, точке максимального электрического поля или точке максимального тока.

Для обычной прямоугольной патч-панели, работающей в основном режиме, входное сопротивление, как правило, высокое вблизи излучающего края и уменьшается по мере приближения питающего элемента к центру вдоль резонансной оси. Точка 50 Ом обычно находится между краем и центром. Точное положение зависит от размеров патч-панели, свойств подложки, диаметра зонда, заземляющей плоскости, разъема и близлежащих структур.

1. Начните с определения размеров патча, соответствующих требуемой резонансной частоте и поляризации.
2. Расположите зонд на соответствующей линии симметрии, чтобы помочь возбудить желаемый режим и ограничить поля кросс-поляризации.
3. В полноволновой электромагнитной модели изменяйте смещение от излучающего края до достижения целевого импеданса и коэффициента отражения.
4. При окончательной сборке необходимо включить в конструкцию коаксиальный переход, индуктивность зонда, контактную площадку для пайки, конечную заземляющую плоскость, корпус и обтекатель.
5. Создайте модель допусков для толщины подложки, диэлектрической постоянной, процесса травления и погрешности положения подачи.
6. Проверьте работоспособность изготовленной антенны с помощью откалиброванного векторного анализатора цепей и вносите корректировки только после сравнения плоскостей отсчета, полученных в результате измерений и моделирования.

Проверка конструкции и измерений

Оптимизацию подачи следует проверять по нескольким значениям S-параметра. Полный анализ обычно включает в себя:

• Резонансная частота, S11, коэффициент отражения, КСВ и полоса пропускания импеданса.
• Действительное и мнимое входное сопротивление в рабочем диапазоне.
• Суммарная эффективность, реализованное усиление и потери в проводнике/диэлектрике.
• Диаграммы направленности кополяризованного и кроссполяризованного излучения в главных плоскостях.
• Соотношение передней и задней части изображения, боковые лепестки и искажение изображения, вызванные источником сигнала или разъемом.
• Текущее распределение и свидетельства наличия непреднамеренных поверхностных волн или мод более высокого порядка.
• Характеристики при ожидаемых температурах, в обтекателе, корпусе, при прокладке кабелей и условиях монтажа.

Приложения

Микрополосковые антенны и антенные решетки используются в беспроводных коммуникационных терминалах, спутниковом и навигационном оборудовании, радиолокационных датчиках, телеметрии, аэрокосмических платформах, системах тестирования и компактных встроенных радиочастотных устройствах. Архитектура источника питания должна выбираться в соответствии с реальными требованиями системы: простой печатный источник питания может быть идеальным вариантом для компактного узкополосного устройства, в то время как связанный источник питания может быть оправдан для более широкой полосы пропускания или более сильной изоляции.

Часто задаваемые вопросы

Какой способ питания микрополосковой антенны является самым простым?

Микрополосковая линия питания обычно является самым простым вариантом, поскольку линию и контактную площадку можно напечатать на одной подложке. Она легко интегрируется с планарной сетью питания, хотя необходимо контролировать излучение линии питания.

Какой метод подачи сигнала обеспечивает наибольшую пропускную способность?

Как правило, антенны с бесконтактной и апертурной связью обладают большей потенциальной полосой пропускания, чем базовые антенны с прямой связью. Фактическая полоса пропускания по-прежнему зависит от общей геометрии антенны и структуры подложки.

Какой из фидеров обеспечивает наилучшую изоляцию от излучающего участка?

Апертурная связь обеспечивает надежную структурную изоляцию, поскольку заземляющая плоскость отделяет линию питания от патча. Однако необходимо оценить утечку через щель и обратное излучение.

Влияет ли точка подключения на резонансную частоту?

Его основная цель — согласование импедансов, но зонд или линия также искажают электромагнитные поля. Большие зонды, длинные зонды, сильная связь или питание вблизи чувствительной области поля могут смещать резонанс, а также входной импеданс.

В чём разница между подачей сигнала и согласованием импеданса?

Процесс подачи описывает способ передачи радиочастотной энергии на антенну. Согласование импеданса — это процесс обеспечения совместимости входного сигнала антенны с линией передачи, обычно составляющей 50 Ом. Положение и геометрия источника питания являются важными параметрами согласования, но также могут использоваться дополнительные трансформаторы, вставки, шлейфы или согласующие цепи.

Заключение

Выбор способа подачи сигнала через микрополосковую антенну — это решение на системном уровне. Микрополосковые линии и коаксиальные зондовые источники сигнала обеспечивают простоту и прямую настройку, в то время как апертурная и ближняя связь предлагают более сильную изоляцию или более широкую полосу пропускания за счет дополнительных слоев и более жесткого контроля качества изготовления. Окончательные характеристики всегда следует подтверждать с помощью полноволнового моделирования, анализа допусков и калиброванных измерений.

Рекомендации по выбору микрополосковых антенн

Изучите RF MISOмикрополосковые антенныниже илисвяжитесь с нашей инженерной командойОбсудить частотный диапазон, коэффициент усиления, поляризацию, требования к интерфейсу и интеграции.