Metode napajanja mikrostripnih antena: Vrste i izbor

Mikrostripna antena je niskoprofilna štampana antena kod koje je provodni dio formiran na jednoj strani dielektrične podloge, a uzemljena ravan je postavljena na drugoj. Struktura napajanja prenosi RF energiju između prenosne linije i zračećeg dijela, tako da ima direktan uticaj na ulaznu impedansu, radni propusni opseg, efikasnost zračenja, čistoću polarizacije i složenost izrade.

Četiri najčešće korištene metode napajanja mikrostripnih antena su napajanje mikrostripnom linijom, napajanje koaksijalnom sondom, napajanje spregnuto preko aperture i napajanje spregnuto preko blizine. Nijedna metoda nije najbolja za svaki dizajn. Pravi izbor zavisi od potrebne propusnosti, profila antene, izolacije, rukovanja snagom, rasporeda antenskog niza i proizvodnog procesa.

Za širi uvod u strukturu i princip rada antene, pogledajte naš vodič zaStruktura mikrostripne antene, principi rada i primjeneOvaj članak se posebno fokusira na mehanizme napajanja, praktične kompromise i odabir tačke napajanja.

Šta je napajanje mikrostripne antene?

Dovod povezuje RF izvor ili prijemnik sa zračećom površinom, istovremeno transformirajući impedansu sistema u ulaznu impedansu antene. U praktičnom dizajnu, dovod je dio antene, a ne zaseban detalj. Njegova geometrija mijenja raspodjelu struje, rezonantnu frekvenciju, gubitak povratnog signala, upotrebljivu propusnost i neželjeno zračenje.

Mikrostripni napajači antena se obično dijele na metode direktnog kontakta i elektromagnetski spregnute metode. Mikrostripni vodovi i koaksijalni napajači sondi ostvaruju direktan električni kontakt sa zakrpom. Napajači spregnuti preko otvora i blizine prenose energiju putem elektromagnetskog sprezanja i obično koriste više od jednog sloja supstrata.

Četiri glavne metode napajanja mikrostripnih antena

1. Mikrostripna linija za napajanje

Kod mikrostripnog vodnog napajanja, štampana prenosna linija je direktno povezana na patch. Linija i patch mogu se izraditi na istoj podlozi u jednom PCB procesu, što ovu metodu čini jednostavnom, niskoprofilnom i pogodnom za jeftinu proizvodnju i mnoge štampane nizove.

Usklađivanje impedanse može se podesiti promjenom širine napojne linije, korištenjem umetka, dodavanjem četvrtvalnog transformatora ili optimizacijom spoja između linije i patch-a. Glavno ograničenje je da napojna linija također zrači. Ovo lažno zračenje može utjecati na unakrsnu polarizaciju i dijagram zračenja, posebno kada je podloga relativno debela ili je napojna mreža dugačka.

2. Koaksijalni dovod sonde

Koaksijalni napoj sonde prolazi kroz uzemljenu ravan i podlogu. Koaksijalni vanjski provodnik je spojen na uzemljenu ravan, dok je unutrašnji provodnik spojen na diodu. Pomicanje položaja sonde omogućava praktičan način odabira željenog ulaznog otpora bez postavljanja linije napajanja na površinu koja zrači.

Ova metoda nudi fleksibilno postavljanje tačaka napajanja i generalno nisko zračenje napojnih vodova, ali zahtijeva bušenje i pouzdanu električnu vezu. Dugačka sonda uvodi induktivnost, tako da se performanse mogu pogoršati kod električno debelih podloga ili na višim frekvencijama. Geometrija konektora, količina lema i tolerancija proizvodnje stoga bi trebali biti uključeni u konačni model.

3. Dovod spregnut s otvorom blende

Otvorom spregnuto napajanje postavlja prenosnu liniju ispod uzemljene ravni, a površinu iznad nje. Energija prolazi kroz prorez u uzemljenoj ravni. Budući da uzemljena ravan odvaja mrežu napajanja od zračeće površine, ovaj raspored pruža dobru izolaciju napajanja od radijatora i može smanjiti neželjeno zračenje napajanja.

Dimenzije utora, položaj utora, kraj napojne linije, debljina podloge i dielektrične konstante utiču na sprezanje i usklađivanje. Sprezanje otvora može podržati širi propusni opseg od mnogih direktnih napojnih linija, ali zahtijeva višeslojnu strukturu i precizno poravnanje između linije, utora i dijela.

4. Napajanje spregnuto na blizinu

Kod blisko spregnutog napajanja, koje se naziva i elektromagnetno spregnuto napajanje, mikrostripna linija se postavlja ispod zakrpe i odvojena je od nje dielektričnim slojem. Linija se preklapa s dijelom zakrpe, a energija se prenosi kroz elektromagnetno polje. Ne postoji direktna električna veza niti utor u uzemljenoj ravni.

Dužina preklapanja, položaj linije, svojstva podloge i debljina sloja kontrolišu spregu. Ova metoda može obezbijediti širok propusni opseg impedance i nisko lažno zračenje, ali je dvoslojna struktura deblja i osjetljivija na tolerancije poravnanja i vezivanja.

Poređenje metoda napajanja mikrostripnih antena

Način hranjenja	Tipični potencijal propusnog opsega	Izrada	Zračenje / izolacija hrane	Najbolje odgovara
Mikrostripna linija	Usko do umjereno	Jednostavna, jednoslojna PCB ploča	Više zračenja iz dovodnih vodova	Niskoprofilni, jeftini štampani dizajni i nizovi
Koaksijalna sonda	Usko do umjereno	Bušenje i vertikalno spajanje	Nisko zračenje napojne linije	Fleksibilno podešavanje tačke napajanja jednog elementa
Spregnuto s aperturom	Umjereno do široko	Višeslojni sa poravnavanjem utora	Dobra izolacija hrane	Dizajni koji zahtijevaju izolaciju i širi propusni opseg
Blizinski spregnuto	Široko	Višeslojno s preklapajućim poravnanjem	Nisko lažno zračenje	Širokopojasni dizajni gdje je dodatna debljina prihvatljiva

Ovo su relativni trendovi dizajna, a ne fiksne garancije performansi. Oblik patch-a, gubitak podloge, dielektrična konstanta, debljina, frekvencija, dužina napojne mreže i tolerancija proizvodnje mogu promijeniti rezultat.

Kako odabrati pravi način hranjenja

Potrebna propusnost:Direktni dovodi su često dovoljni za uskopojasne sisteme. Sprezanje otvora blende ili blizinsko sprezanje mogu biti poželjnije kada je širi propusni opseg impedance primarni zahtjev.
Profil i broj slojeva:Mikrostripna linija za napajanje održava strukturu tankom i jednostavnom za proizvodnju. Spregnuti dovodi zahtijevaju dodatne slojeve i poravnanje.
Čistoća zračenja:Ako je zračenje napojne mreže ili izolacija od naprijed-nazad kritična, struktura spregnuta s aperturom može odvojiti dovod od zakrpe.
Integracija niza:Štampane mikrostrip mreže su pogodne za antenske nizove, ali gubici u liniji i parazitsko zračenje se povećavaju kako mreža postaje duža. Raspored korporativnog napajanja i tolerancija amplitude/faze trebaju se procijeniti zajedno.
Frekvencija i tolerancija:Na milimetarskim talasnim frekvencijama, prelazi konektora, tolerancija nagrizanja, debljina podloge i greške registracije postaju električno značajni.
Ograničenja snage i temperature:Gubitak provodnika, dielektrično zagrijavanje, gustoća struje konektora i lokalna koncentracija polja trebaju se provjeriti za predviđeni nivo snage.
Cijena i ponovljivost:Dizajn s najboljom simuliranom propusnošću možda nije najbolji izbor za proizvodnju ako zahtijeva teško spajanje ili čvrsto višeslojno poravnanje.

Kako odabrati tačku napajanja koaksijalne sonde

Ispravan položaj sonde je lokacija koja predstavlja ciljanu ulaznu impedansu uz pobuđivanje željenog moda s prihvatljivom unakrsnom polarizacijom. Ne bi trebao biti automatski odabran u centru spoja, tački maksimuma električnog polja ili tački maksimalne struje.

Za konvencionalni pravokutni patch koji radi u svom osnovnom modu, ulazni otpor je uglavnom visok blizu zračeće ivice i smanjuje se kako se napajanje pomiče prema centru duž rezonantne dimenzije. Tačka od 50 oma se obično nalazi između ivice i centra. Tačan položaj zavisi od dimenzija patch-a, svojstava podloge, prečnika sonde, uzemljene ravni, konektora i obližnjih struktura.

Počnite s dimenzijama plohe za potrebnu rezonantnu frekvenciju i polarizaciju.
Postavite sondu na odgovarajuću liniju simetrije kako biste pobudili željeni mod i ograničili unakrsno polarizirana polja.
Pomjerajte pomak od zračeće ivice u elektromagnetnom modelu punog talasa dok se ne dostignu ciljana impedancija i gubitak povratnog signala.
Uključite koaksijalni prijelaz, induktivitet sonde, lemnu ploču, konačnu uzemljenu ravan, kućište i radom kada su dio konačnog sklopa.
Izradite model tolerancije za debljinu podloge, dielektričnu konstantu, nagrizanje i grešku položaja dovoda.
Validirajte proizvedenu antenu kalibriranim vektorskim mrežnim analizatorom i podesite je tek nakon poređenja referentnih ravni mjerenja i simulacije.

Provjere dizajna i mjerenja

Optimizaciju feeda treba provjeriti u odnosu na više od jedne vrijednosti S-parametra. Potpuni pregled obično uključuje:

Rezonantna frekvencija, S11, povratni gubitak, VSWR i propusni opseg impedance.
Realna i imaginarna ulazna impedancija u radnom opsegu.
Ukupna efikasnost, ostvareno pojačanje i gubici provodnika/dielektrika.
Kopolarizovani i unakrsnopolarizovani dijagrami zračenja u glavnim ravnima.
Odnos naprijed-nazad, bočni režnjevi i izobličenje uzorka uzrokovano dovodom ili konektorom.
Raspodjela struje i dokazi o nenamjernim površinskim valovima ili modovima višeg reda.
Performanse pod očekivanom temperaturom, radomom, kućištem, uslovima usmjeravanja kablova i instalacije.

Aplikacije

Mikrostripne antene i nizovi se koriste u bežičnim komunikacijskim terminalima, satelitskoj i navigacijskoj opremi, radarskim senzorima, telemetriji, vazduhoplovnim platformama, testnim sistemima i kompaktnim ugrađenim RF proizvodima. Arhitektura napajanja treba biti odabrana prema stvarnim zahtjevima sistema: jednostavno štampano napajanje može biti idealno za kompaktnu uskopojasnu jedinicu, dok spregnuto napajanje može biti opravdano za širi propusni opseg ili jaču izolaciju.

Često postavljana pitanja

Koji je najjednostavniji način napajanja mikrostripne antene?

Mikrostripna linija za napajanje je obično najjednostavnija jer se linija i patch mogu odštampati na istoj podlozi. Lako se integriše sa planarnom mrežom za napajanje, iako se zračenje linije za napajanje mora kontrolisati.

Koji način hranjenja pruža najširi propusni opseg?

Blizinski i aperturno spregnuti dovodi uglavnom nude veći potencijal propusnog opsega od osnovnih direktnih dovoda. Stvarni propusni opseg i dalje zavisi od kompletne geometrije antene i sloja supstrata.

Koji fid nudi najbolju izolaciju od zračećeg područja?

Sprezanje otvora omogućava snažnu strukturnu izolaciju jer uzemljena ravan odvaja napojnu liniju od zakrpe. Curenje kroz utor i povratno zračenje još uvijek treba procijeniti.

Da li tačka napajanja mijenja rezonantnu frekvenciju?

Njegova glavna svrha je usklađivanje impedanse, ali sonda ili linija također remete elektromagnetska polja. Velike sonde, duge sonde, jaka veza ili napajanje blizu osjetljivog područja polja mogu pomaknuti rezonancu kao i ulaznu impedansu.

Koja je razlika između napajanja i usklađivanja impedanse?

Dovod signala opisuje kako se RF energija dovodi do zakrpe. Usklađivanje impedanse je proces kojim se ulaz antene čini kompatibilnim s dalekovodom, obično 50 oma. Položaj i geometrija dovoda signala su važne varijable za usklađivanje, ali se mogu koristiti i dodatni transformatori, umetci, odvojci ili mreže za usklađivanje.

Zaključak

Odabir mikrostripnog antenskog napajanja je odluka na nivou sistema. Mikrostripni linijski i koaksijalni napajači sondi favorizuju jednostavnost i direktno podešavanje, dok aperturna i blizinska sprega nude jaču izolaciju ili širi propusni opseg po cijenu dodatnih slojeva i strože kontrole izrade. Konačne performanse treba uvijek potvrditi simulacijom punog talasa, analizom tolerancije i kalibriranim mjerenjem.

Preporuke za mikrostripne antene

Istražite RF MISOproizvodi od mikrotrakastih antenaispod, ilikontaktirajte naš inženjerski timrazgovarati o frekvencijskom opsegu, pojačanju, polarizaciji, interfejsu i zahtjevima integracije.