Микрополосковая антенна

Істотною особливістю GPS вважається повна залежність умов одержання сигналу від міністерства оборони США [2].

1.2 Мікросмужкові антени.

Мікросмужкові антени складаються з металізованої ділянки на заземленій діелектричній підкладці. Це плоскі та легкі антени, найбільш придатні для мобільних пристроїв та космічної техніки (рис.1.1).

Рис.1.1 Загальна структура мікросмужкової антени

 Мікросмужкові антени мають ряд переваг у порівнянні з традиційними мікрохвильовими антенами, що забезпечило їх широке використання в діапазоні частот 100 МГц - 10 ГГц [3]. До основних переваг мікросмужкових антен відноситься:

• низька вага, малі габарити, плоска конфігурація;
• низька виробнича вартість, що робить їх придатними для масового виробництва;
• можливість реалізувати лінійну та колову поляризацію, використовуючи одноточкове живлення;

 

• легка реалізація двочастотних та двополяризаційних антен;
• можливість поєднання з мікрохвильовими інтегральними схемами;
• можливість виготовлення ліній живлення та узгоджуючих пристроїв одночасно з антенними структурами [3].

Нажаль, мікросмужкові антени мають також ряд недоліків у порівнянні з традиційними мікрохвильовими антенами:

• вузький діапазон робочих частот та необхідність чіткого дотримання проектних розмірів;
• невеликий коефіцієнт спрямованої дії (~6 дБ);
• більшість мікросмужкових антен випромінюють у напівпростір;
• складно досягти чистоти поляризації;
• стороннє випромінення від ліній живлення та з’єднань;
• неспроможність працювати з великими рівнями потужностей;
• збудження поверхневих хвиль;
• мікросмужкові антени,що вироблені на підкладинці з високим значенням діелектричної проникності, дуже легко поєднуються з інтегральними схемами, однак, використання підкладинки з високим значенням діелектричної проникності призводить до зниження ефективності та звуження робочого діапазону частот [3].

 Можливі конфігурації мікросмужкових антен.

Мікросмужкові антени характеризуються більшою кількістю фізичних параметрів, ніж традиційні антени. Вони можуть мати безліч всіляких форм та розмірів. Всі мікросмужкові антени можна поділити на такі базові категорії:

• мікросмужкові випромінювачі;
• мікросмужкові дипольні антени;
• мікросмужкові антени біжучої хвилі.

Мікросмужкові випромінювачі складаються з провідної ділянки будь-якої форми з одного боку, та діелектричної підкладинки з заземленою площиною з іншого боку. Зазвичай на практиці використовують конфігурації, які зображені на рис.1.2.

Рис.1.2. Основні форми мікросмужкових випромінювачів, що використовуються на практиці [4].

Прямокутні та квадратні  антени мають найбільшу ширину смуги                   пропускання, через те, що вони більші ніж інші форми. Круглі та еліптичні патч антени – є другою загальною формою. Такі антени менші ніж їх прямокутна копія за рахунок чого вони мають дещо менше підсилення і смугу пропускання. Трикутна і секторна конфігурація патч антен менша ніж їх прямокутний та дисковий варіант. Трикутні патчі мають тенденцію утворювати більше високі рівні крос поляризації, через відсутність симетрії. Патчі з подвійною поляризацією можуть бути розроблені з використанням цих форм провідника. Кільце має найменшу площу провідника. Однією з проблем, які пов’язані з кільцем є те, що збудження моди нижчого порядку є непростим процесом.

 

Характеристики випромінення даних видів випромінювачів схожі, незважаючи на форму. Найчастіше використовуються прямокутні та колові мікросмужкові випромінювачі. Такі антени мають коефіцієнт підсилення в межах 5..6 дБ та ширину діаграми спрямованості по рівню -3 дБ в межах 70°..90°. Також, для виконання спеціальних задач можуть використовуватись і інші форми (шестикутники, сектори диска або кільця та ін.).

Мікросмужкові дипольні антени геометрично відрізняються від звичайних мікросмужкових випромінювачів відношенням довжини до

ширини. Зазвичай довжина диполя складає менше, ніж 0,05. Характеристики випромінювання диполя та мікросмужкового дипольного випромінювача схожі між собою. Однак, опір випромінювання, діапазон робочих частот, крос-поляризаційне випромінювання сильно відрізняються. За рахунок використання діелектриків з високою діелектричною проникністю мікросмужкові диполі можуть мати малий розмір. Мікросмужкові диполі (рис.1.3) якнайкраще підходять для високих частот, для яких підкладинка може бути електрично товстою, і, як наслідок, дозволяє досягти значної ширини смуги робочих частот. Слід зауважити, що дуже важливим для диполів є вибір механізму подачі живлення [5].

Рис.1.3 Можлива конфігурація мікросмужкового диполя

Мікросмужкові антени біжучої хвилі можуть складатися із з’єднаних послідовно та періодично провідників чи довгої мікросмужкової лінії достатньої ширини, що підтримує передачу хвиль ТЕM. На  кінець антени біжучої хвилі приєднують узгоджене навантаження, щоб прибрати стоячі хвилі. Мікросмужкові антени біжучої хвилі можуть бути спроектовані таким чином, щоб головний пелюсток діаграми спрямованості розташовувався під будь-яким кутом до осі. Різноманітні конфігурації таких антен зображені на рис.1.4 [3].

Рис.1.4 Деякі можливі конфігурації мікросмужкових антен біжучої хвилі.

Способи живлення мікросмужкових антен.

На сьогоднішній день використовують такі способи живлення мікросмужкових антен:

• коаксіальне;
• мікросмужкове;
• електромагнітне живлення;
• копланарне хвильовідне живлення.

При коаксіальному живленні коаксіальний роз’єм кріпиться до задньої сторони підкладинки (рис.1.5), а центральний провідник коаксіалу після проходження через підкладинку паяється до мікросмужкового випромінювача. Розміщення точки живлення вибирається таким чином, щоб досягти найкращого узгодження з навантаженням.

Рис.1.5 Коаксіальне штирьове живлення мікросмужкової антени.

За допомогою коаксіального живлення можна легко отримати колову поляризацію за допомогою одноточкового живлення. [6]

 Збудження мікросмужкової антени за допомогою мікросмужкової лінії є найбільш природним способом подачі живлення, тому що випромінювач може розглядатися як продовження мікросмужкової лінії, а також може бути виготовленим в одному технологічному процесі. З’єднання між випромінювачем та мікросмужковою лінією може бути виконано безпосередньо, або через щілину між ними. На рис.1.6 зображений копланарний тип живлення з компенсацією індуктивності штиря за рахунок ряду ємностей між випромінювачем і диском, розміщеним поверх випромінювача.[3]

Рис.1.6 Мікросмужкове живлення.

Електромагнітне живлення (рис.1.7) – це безконтактний непланарний метод живлення.  Використовується двошарова підкладинка з мікросмужковою лінією на нижньому шарі та випромінювачем на верхньому. З’єднання між випромінювачем та лінією живлення має ємнісний характер. [3]

Рис.1.7 Електромагнітне живлення

Підтипом даного метода живлення є апертурно – зв’язане мікросмужкове живлення (рис.1.8). До переваг такого типу живлення можна віднести більш широкий діапазон робочих частот та екранування випромінювача від структури живлення. При такому живленні використовуються дві підкладинки, розділені спільною заземленою площиною. Мікросмужкова лінія живлення на нижній підкладинці електромагнітно зв’язана з випромінювачем через щілину в заземленій площині. Щілина може бути будь-якої форми та розміру для досягнення узгодження в робочій смузі частот. Параметри підкладинки обираються таким чином, щоб незалежно оптимізувати живлення та випромінювач. Наприклад, підкладинка для лінії живлення має бути більш тонкою та мати вище значення діелектричної проникності, а підкладинка для випромінювача може бути товстою та з меншим значенням діелектричної проникності. Більш того, випромінювання з відкритого кінця лінії живлення не впливає на випромінювання антени завдяки екрануючому ефекту заземленої площини. Ця особливість також покращує чистоту поляризації [5].

Рис.1.8 Апертурно – зв’язане мікросмужкове живлення.

Копланарне хвилевідне живлення (рис.1.9) використовується переважно для мікрохвильових монолітних інтегральних схем. І копланарні хвилеводи, і мікросмужкові антени мають планарну/плоску геометрію. Як наслідок, для інтеграції/з’єднання мікросмужкової антени з інтегральною схемою бажано живити її за допомогою копланарного хвилеводу. До переваг цього методу можна віднести те, що випромінювання від лінії живлення незначне, тому що у копланарному хвилеводі збуджується непарна мода і еквівалентні магнітні струми на обох щілинах копланарного хвилеводу випромінюють в протифазі, зводячи до мінімуму випромінювання живлення [5].

Рис.1.9 Компланарне хвилевідне живлення мікросмужкової патч антени. Індуктивний зв’язок, розділення слоту зв’язку на два компланарні хвилеводи (а). Ємнісний зв’язок між патчем і слотом (б). З’єднання за допомогою петлі зв’язку, щоб зменшити зворотнє випромінювання (с) [4].

Мікросмужкові антени колової поляризації.

В загальному випадку антена випромінює хвилі еліптичної поляризації, яка визначається трьома параметрами: коефіцієнтом еліптичності, кутом нахилу, напрямком обертання. Коли коефіцієнт еліптичності дорівнює нескінченності або нулю, поляризація стає лінійною з кутом нахилу, що визначається орієнтацією антени у просторі. Напрямок обертання не має значення в такому випадку. Якість лінійної поляризації зазвичай визначається рівнем крос-поляризації.

Антена випромінює хвилі  із коловою поляризацією, коли випромінюються дві ортогональні компоненти поля з рівними амплітудами, а їхні фази в квадратурі, тобто зсунуті на 90°. Різні друковані антени можуть задовольнити цим вимогам [4].

Методи отримання колової  поляризації.

Мікросмужкова антена – антена резонаторного типу. Для того, щоб отримати колову поляризацію, випромінювач має підтримувати ортогональні моди з рівними амплітудами та фазами, зсунутими на 90° [6].

Для досягнення колової поляризації найчастіше використовують один з двох методів подачі живлення: двоточкове (подвійне ортогональне живлення) та одноточкове (рис.1.10).

 

Рис.1.10 Двоточкове (а) та одно точкове (б) живлення мікросмужкової антени.

Двоточкове живлення:

Основні конфігурації випромінювачів з двоточковим методом живлення, які використовують зовнішній подільник потужності, зображено на рис.1.11. Як правило, випромінювач має круглу або квадратну форму. Подвійне ортогональне живлення збуджує дві моди рівної амплітуди з фазами в квадратурі. Кола ділення потужності, що використовуються для генерації колової поляризації це: 3дБ – мостове з’єднання, дільник потужності Вілкінсона, або Т – подібний дільник потужності. 3дБ – мостове з’єднання  розбиває вхід на два виходи з рівними амплітудами та зсувом фаз на 90°. Інші типи дільників потребують чверть – хвильовий відрізок лінії в одному вихідному плечі для забезпечення необхідного зсуву фази. Мостове з’єднання забезпечує найкращі значення коефіцієнта еліптичності. Подільники можуть бути легко зроблені на основі різних планарних ліній [5].

Рис.1.11 Типові конфігурації випромінювачів колової поляризації з двоточковим живленням.

Одноточкове живлення:

Випромінювач з одноточковим живленням застосовується, якщо складно забезпечити двоточкове живлення з рядом дільників потужності. Через те, що в загальному випадку випромінювач з одноточковим живленням випромінює лінійну поляризацію, необхідно збудити дві моди випромінювача з рівними амплітудами та зсувом фаз 90°. Цього можна досягти незначною деформацією геометрії антени. [8]

Незважаючи на те, що в  літературі описані різні конфігурації для генерації колової поляризації, вони використовують один і той самий  принцип розстроєних вироджених мод симетричного випромінювача, як показано на рис.1.12.

Рис.1.12 Амплітуда і фаза ортогональних мод випромінювача при одноточковому живленні.

Поля випромінювача можна  представити двома ортогональними виродженими модами. Геометрія модифікується так, щоб на робочій частоті f₀ обидві моди мали однакові амплітуди та були зсунуті на 90° по фазі. Таким чином, ці дві моди задовольняють умовам виникнення колової поляризації. При зміщенні частоти від значення f₀, коефіцієнт еліптичності швидко погіршується, хоча узгодження залишається прийнятним [5].