Патч-антенна на 2,4 ГГц: расчёт, моделирование и согласование в ADS
Всё больше отраслей, где используются патч антенны. Впервые я её увидел, наверное, в автомобильном радаре. Там располагалась целая антенная решётка. Эти антенны, благодаря тому, что многие направления связи уходят в стороны более высоких частот, становятся всё более распространёнными в нашей жизни. Сейчас и связь со спутниками, и радары, и даже домашний интернет порой использует патч антенны.
Эта статья ни в коем случае не учебное пособие по таким антеннам, а скорее мои рассуждения и попытки самому разобраться в них. И пишу её тут даже более для себя, что бы не забыть что и как я делал; ну и для тех, кто тоже хочет в этом разобраться.
Преимущества микрополосковой патч-антенны
Габариты. Она плоская, лёгкая.
Простота. По сути - это кусок печатной платы.
Цена. Как правило она бывает дешевле многих антенн, конечно же не всех, но когда речь заходит о антенных решётках, тут её выигрыш очевиден.
Поляризация. Можно легко сделать линейную или круговую при определённом питании.
Недостатки микрополосковой патч-антенны
Использование в высоких частотных диапазонах ГГц (f > 0,5 ГГц). Для более низких частот их размеры становятся слишком большими.
КПД. Относительно низкий КПД из-за потерь в диэлектрике (и в проводнике, и поверхностные волны).
Кросс-поляризация. Есть у этих антенн проблема с излучением поперечной поляризацией.
Узкополосные. Но это может быть и плюсом для некоторых применений. Поэтому этот минус со звёздочкой*.
Типы микрополосковых патч-антенн
Квадратная, Прямоугольная, Диполь, Круглая, Элипсовидная, Треугольная, Фрактальная, etc...
Из интересных стоит отметить, что дипольная имеет излучающий участок, аналогичный структуре диполя. Он обеспечивает широкополосную связь и используется в приложениях, требующих более широкого частотного покрытия.
Круглая чаще используется для создания круговой поляризации.
Где применяют треугольные не знаю, как и про фрактальные.
Надо отметить, что всё это многообразие антенн ещё может отличаться по варианту их запитки и исполнению. Например, квадрат может быть запитан с одной из сторон, из центра или вообще с другого слоя. На картинке несколько интересных вариантов запитки патч антенны взятых из обучающего курса:
Особенности для расчёта.
Тут будет совсем простое, понятное любому человеку, без сложных уравнений и выкладок. Некоторые формулы вообще будут приблизительными, но общепринятыми. Откуда их взял? Смотрим список литературы в конце статьи.
Основы тезисно:
Размеры патч-антенны находятся в диапазоне от λ/3 до λ/2 (в основной моде резонансная длина патча составляет примерно половину эффективной длины волны).
Ширина патча выбирается отдельно и влияет на входное сопротивление, полосу пропускания и характеристики излучения.
Толщина диэлектрической пластины составляет от 0,03λ до 0,05λ (определяется компромиссом между полосой пропускания, эффективностью, поверхностными волнами, габаритами).
Экранирующий слой больше патча примерно на 6 толщин диэлектрика (минимум, а вообще от него может зависеть и диаграмма направленности).
Диэлектрическая проницаемость пластины варьируется от 2,2 до 12.
В отличие от микрополосковой линии, излучающая патч-антенна предпочтительно делается на подложке с низкой диэлектрической проницаемостью для повышения эффективности излучения. И тут есть такой баланс, который нужно подобрать: оптимальная (желательно низкая) диэлектрическая проницаемость и электрическая постоянная зависит от толщины подложки. Так с увеличением получаем уменьшение диэлектрической проницаемости. В этом и есть компромисс. Генерируемые волны зависят от толщины подложки. Из-за небольшой толщины подложки волны отражаются от ее краев. Непрерывная структура полоска не препятствует излучению. После определенного разрыва излучение снова начинает распространяться со второй стороны патч-антенны. Патч-антенна излучает лишь часть энергии, что делает ее неэффективной. Она больше похожа на резонатор, чем на передатчик. Прямоугольную микрополосковую патч-антенну можно приближённо рассматривать как резонатор с открытыми краями.
Есть несколько упрощённых формул для расчёта патча, которые дают +- попадание в искомый результат и есть белее серьёзные формулы, с учётом краевых эффектов и эффективной диэлектрической проницаемости.
Для основной моды (а антенны буваю и на разные) ширина примерно рассчитывается так:
Эффективная диэлектрическая проницаемость
Учёт краевых эффектов:
Для основной моды эффективная длина:
И физическая длина с учётом краевых полей:
Конечно же проще использовать один из готовых, проверенных калькуляторов, или он-лайн калькуляторов. В них ещё и линии питания и согласования легко считаются. Но формулы достаточно простые и понятные. Да и интересно посчитать руками и потом убедиться, что всё работает.
Но практически всегда, а в современном мире это легко, такие антенны после расчётов калькулятором проверяются в какой-нибудь программе моделировщике.
А теперь к практике
С помощью бумажки и ручки рассчитал патч для следующих параметров:
Резонансная частота 2.4ГГц
Материал FR4
Проницаемость Er=4.4
Толщина меди 35 мкм
Толщина материала 1.6мм
W=38.04
L=29.83
Линия питания 50 Ом - ширина 3мм
После этого, как говорил выше, имеет смысл антенну промоделировать. Для этого есть популярный HFSS, CST или подобные. Я это сделаю в программе, лицензия которой у меня есть на работе. А так как почти все эти программы между собой похожи, я немного опишу последовательность действий, что бы любой желающий смог это повторить быстро.
Моделирование
Для начала отрисовываю свою патч антенну в редакторе. Задаю все размеры.
После этого задаю параметры подложки, материал, Er и прочее. Аналогично делается и в HFSS, нажимая на элемент подложки антенны. Тут же задаётся и параметр материала покрытия - самого патча.
И после моделирования получается совершенно не то, что ожидалось. Почти. Некоторый резонанс всё же на 2.4 виден.
И это правильно, потому, что я решил проверить антенну без согласования как же она будет работать. И очевидно, что на 2.4ГГц у неё есть резонанс, но не такой, как хотелось бы. Она оказалась не согласована с 50 омным портом измерителя.
Есть формулы для расчёта сопротивления антенны с её края, в месте подключения. Формулы не простые, можно воспользоваться готовыми калькуляторами, а я просто измерю его.
Для этого из параметра S11 надо узнать Zin:
А после этого можно очень быстро построить Rin и Xin. Мой софт, да и аналогичные умеют это делать, им только надо это подсказать.
Для этого через Insert вводим в Equation следующие формулы:Zin = 50*(1+S(1,1))/(1-S(1,1))Rin = real(Zin)Xin = imag(Zin)
Строю графики по этим формулам. На них ставлю маркеры на интересующей меня частоте.
На маркерах и есть сопротивление моей антенны, активное и реактивное сопротивления.
Для четвертьволнового трансформатора волновое сопротивление рассчитывается так:
Поэтому ставлю четвертьволновый трансформатор перед запиткой антенны и прогоняю моделирование ещё раз.
Важная оговорка. Если у патча есть заметная реактивная составляющая Xin, её нельзя просто проигнорировать. Нужно либо сначала компенсировать реактивность, либо использовать подходящий метод согласования комплексной нагрузки.
Четвертьволновый трансформатор для согласования уже считаю в одном из сотен калькуляторов. В том же ADS есть отдельно калькулятор для подобных расчётов.
Ширина 0.71 мм
Длина 18 мм
Это длины уже для четверти волны с учётом микрополосковой линии, а не в свободном пространстве.
Согласование добавляю к своей антенне. Выглядит это так:
И запускаю моделирование.
Получившийся график мне нравится уже больше.
Далее можно построить графики показывающие диаграмму направленности, усиление, КПД и всё необходимое, и интересное по этой антенне.
И казалось бы закончить на этом статью, но я уверен, не я один замечал, что в массовых изделиях с патч антеннами они выглядят немного иначе. Не ровный прямоугольник, а питание как будто бы заходит внутрь к ним.
Антенна с питанием врезкой
Это делается для того, что бы не ставить согласующий трансформатор. Дело в том, что сопротивление с краю патча около 100-300 Ом. Для идеальной основной моды в центре патча ток максимален, а напряжение минимально. Входное сопротивление в этой точке стремится к нулю. И между центром и краем можно найти точку с сопротивлением 50 Ом.
Можно в интернете найти упрощённый расчёт такой антенны X = Z = 2W / 5, W = L.
А формула расчёта очень похожа на формулу для классической патч антенны
Это сильно упрощено с учётом краевых полей (0,822). И Y тут сильно будет плавать. Есть формулы более точного расчёта врезки, но я не готов все эти cos считать ручками. Поэтому либо калькулятор патч антенны, либо то, что приведено выше. Но тут я решил уже использовать готовые калькуляторы.
И после первых же проб получается +- то, что хотел увидеть.
Не буду тратить время и сильно улучшать её параметры, подгоняя размеры. Мне было интересно получить сносные параметры без четвертьволнового трансформатора. И понял, что это возможно.
А теперь субъективные сравнения для разных толщин FR4
Да, не всегда FR4 достойный материал для таких штук, но есть применения, где антенн с его параметрами вполне достаточно, ну пусть тот же WiFi роутер. У FR4 есть негативный момент - через несколько лет его параметры уплывают и тогда у антенны тоже они поплывут, разные FR4 на производстве могут дать разный результат.
Ради интереса я провёл моделирование антенны для трёх толщин FR4. При этом каждая антенна пересчитывалась для новой толщины диэлектрика. Но эксперимент проводил для частоты 3.5ГГц.
Если сравнить три толщины диэлектрика, 1.6, 3.2, 4.8, то можно увидеть разные моменты. Но если сократить и сделать вывод, то получим примерно такой закон:
Первое, чем толще диэлектрик- тем S11 лучше.
Усиление для более тонкого диэлектрика немного больше.
Эффективность антенны для тонкого диэлектрика немного больше.
Так что и тут вопрос исключительно компромиссов. Какое у нас применение и какие параметры антенны важнее. Толщина подложки одновременно влияет на входное сопротивление, краевые поля, полосу пропускания, поверхностные волны и диаграмму направленности. Изменение одного параметра не гарантирует улучшения всех остальных.
Предполагаю, что для других материалов эти три параметра будут иметь похожую зависемость от толщины материала диэлектрика.
Литература
https://www.geeksforgeeks.org/electronics-engineering/microstrip-patch-antenna/
https://bfometr.ru/blog/patch-antenna?ysclid=mv71erja3524011457
https://radioskot.com/calc/kalkulyator-mikropoloskovoj-patch-antenny
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
0%Да0
0%Нет0
Никто еще не голосовал. Воздержавшихся нет.
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
0%Да0
0%Нет0
Никто еще не голосовал. Воздержавшихся нет.
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
KioskNews shows a cleaned-up reading view extracted from the publisher’s page — the original always lives on their site, not ours.