Microstrip-antenne: Konstruktion, arbejde, typer, fodringsmetoder og dens applikationer

En antenne eller antenne i radioteknik er specialiseret transducer , designet af en række ledere, der er forbundet elektrisk til senderen eller modtageren. En antennes hovedfunktion er at sende og modtage radiobølger ligeligt i alle vandrette retninger. Antenner er tilgængelige i forskellige typer og former. De små antenner kan findes på taget af boliger for at se tv, og store antenner fanger signaler fra forskellige satellitter, som er væk millioner af miles. Antenner bevæger sig lodret og vandret for at fange og transmittere signalet. Der er forskellige typer antenner tilgængelig som blænde, tråd, linse, reflektor, mikrostrip, log periodisk, array og mange flere. Denne artikel diskuterer et overblik over mikrostrip antenne .

Microstrip Antenne Definition

En antenne, der er formet ved blot at udætse et stykke ledende materiale over en dielektrisk overflade, kaldes en mikrostrip-antenne eller en patch-antenne. På jordplanet af denne mikrostrip-antenne er det dielektriske materiale monteret, hvor dette plan understøtter hele strukturen. Derudover kan exciteringen til denne antenne forsynes med fødeledninger, der er forbundet til patchen. Generelt betragtes disse antenner som lavprofilantenner, der bruges i mikrobølgefrekvensapplikationer, der har en frekvens på over 100 MHz.

Antennes mikro-strip/patch kan vælges til at være rektangulær, firkantet, elliptisk og cirkulær for at lette analyse og fremstilling. Nogle mikrostrip-antenner bruger ikke et dielektrisk substrat, men de er lavet med en metalpatch, der er monteret på et jordplan med dielektriske afstandsstykker; således er den resulterende formation mindre stærk, men dens båndbredde er bredere.

Microstrip-antennekonstruktion

Microstrip-antennedesign kan udføres ved hjælp af en ekstremt tynd metallisk strimmel ved at arrangere den på et jordplan mellem et dielektrisk materiale. Her er det dielektriske materiale et substrat, der bruges til at adskille strimlen fra jordplanet. Når først denne antenne er exciteret, gennemgår de genererede bølger i dielektrikken refleksioner, og energien, der udsendes fra metalpladekanterne, er meget lav. Disse antenneformer identificeres ved den metalliske patchform, der er arrangeret på det dielektriske materiale.

Generelt er strimlen/lappen og tilførselslinjerne fotoætset på overfladen af ​​substratet. Der er forskellige mikrostrip-antenneformer som kvadratisk, dipol, rektangulær, cirkulær, elliptisk og dipol. Vi ved, at patches kan formes i forskellige former, men på grund af den nemme fremstilling, bruges cirkulære, firkantede og rektangulære patches normalt.

Mikrostrip-antenner kan også dannes med en gruppe af forskellige patches over et dielektrisk substrat. Enten enkelte eller talrige fødeledninger anvendes til at give excitation til mikrostrip-antennen. Så tilstedeværelsen af ​​mikrostrip-elementarrays giver bedre retningsbestemmelse, høj forstærkning og øget transmissionsområde med lav interferens.

Microstrip-antenne fungerer

En mikrostrip-antenne fungerer som; hver gang strøm gennem en fødeledning ankommer til mikrostrip-antennens strimmel, produceres elektromagnetiske bølger. Så disse bølger fra lappen vil begynde at udstråle fra breddesiden. Men når strimmeltykkelsen er meget lille, vil de bølger, der produceres i substratet, blive reflekteret gennem strimmelkanten. Den konstante strimmelstruktur langs længden tillader ikke strålingsemission.

Mikrostrip-antennens lave udstrålingsevne gør det muligt kun at dække bølgetransmissioner med små afstande som butikker, indendørs lokationer eller lokale kontorer. Så denne ineffektive bølgetransmission er ikke acceptabel i en centraliseret lokalitet i et meget stort område. Normalt er halvkugleformet dækning givet af en patch-antenne i en 30⁰ – 180⁰ vinkel i en afstand fra monteringen.

Microstrip-antennespecifikationer

Mikrostrip-antennespecifikationerne inkluderer følgende.

• Dens resonansfrekvens er 1,176 GHz.
• Frekvensområdet for mikrostrip-antennen er fra 2,26 GHz til 2,38 GHz.
• Substratets dielektriske konstant er 5,9.
• Det dielektriske substrats højde er 635um.
• Fodringsmetoden er en mikrostrip line feed.
• Tabstangensen er 0,00 12.
• Lederen er sølv.
• Lederens tykkelse er 25um.
• Dens båndbredde er fo ± 10 GHz.
• Dens forstærkning er over 5dB.
• Dens aksiale forhold er under 4dB.
• Dens afkasttab er bedre end 15dB.

Microstrip-antennetyper

Der er forskellige typer mikrostrip-antenner tilgængelige, som diskuteres nedenfor.

Microstrip Patch Antenne

Disse typer antenner er lavprofilantenner, hvor en metalplade er arrangeret på jordniveau gennem et dielektrisk materiale derimellem, der omfatter en strimmel (eller) Patch-antenne. Disse antenner er ekstremt lave antenner med lav stråling. Denne antenne inkluderer en udstrålende patch på den ene side af et dielektrisk substrat, og på den anden side har den et jordplan.

Generelt er plasteret lavet med ledende materiale som guld eller kobber. Disse typer antenner kan dannes med en mikrostrip-metode ved blot at fremstille på et PCB. Disse antenner bruges i mikrobølgefrekvensapplikationer, som har en højere frekvens end 100 MHz.

Microstrip dipolantenne

Mikrostrimlen dipol antenne er en tynd mikrostrip-leder og er placeret på den faktiske del af substratet, og den er dækket fuldstændigt med metal på den ene side kendt som jordplanet. Disse antenner bruges i digitale kommunikationsenheder som computere og noderne til WLAN. Bredden af ​​denne type antenne er lille, så den kan bruges ved indgangspunktet for WLAN-systemet.

Trykt slotantenne

Trykt slotantenne spiller en nøglerolle i at forbedre antennens båndbredde med strålingsmønstre i begge retninger. Denne antennes følsomhed er lav sammenlignet med de normale antenner. Disse antenner er nødvendige gennem en tilførselsledning, som er anbragt omvendt i forhold til substratet og lodret i forhold til spalteaksen, der er tilvejebragt over lappen.

Microstrip Travelling Wave Antenne

Microstrip rejsebølgeantenner er hovedsageligt designet med en lang Microstrip-linje med tilstrækkelig bredde til at understøtte TE-forbindelsen. Disse typer mikrochip-antenner er designet på en sådan måde, at hovedstrålen ligger inden for enhver rute fra bredside til endebrand.

Fodringsmetoder for Microstrip-antenne

Mikrostrip-antennen har to fodringsmetoder; kontaktfoder og ikke-kontaktfoder, som diskuteres nedenfor.

Kontakter Feed

Kraften til at kontakte føden leveres direkte til det udstrålende element. Så dette kan gøres med en koaksial linje/mikrostrip. Denne type fodringsmetode er igen klassificeret i to typer; Mikrostrip-tilførsel og koaksial tilførsel, som diskuteres nedenfor.

Microstrip feed

Microstrip feed er en ledende strimmel med en meget lille bredde end det udstrålende elements bredde. Tilførselsledningen giver enkel ætsning over substratet, fordi strimlen har tyndere dimensioner. Fordelen ved denne type foderordning er; at foderet kan ætses oven på et lignende substrat for at give en plan struktur. Tilførselsledningen mod strukturen er tilvejebragt enten i midten, forskudt eller indsat. Hovedformålet med det indsatte snit i lappen er at matche impedansen af ​​fødeledningen til lappen uden at kræve noget ekstra matchende element.

Koaksial tilførsel

Denne fodringsmetode er den hyppigst anvendte type og er en ikke-plan fodringsmetode, hvor z koaksialkabel bruges til at fodre plasteret. Denne fodringsmetode gives til mikrostrip-antennen på en sådan måde, at den indvendige leder er direkte forbundet med patchen, mens den eksterne leder er forbundet til jordplanet.

Impedansen vil ændre sig med forskellen i arrangementet af den koaksiale tilførsel. Når først tilførselsledningen er tilsluttet hvor som helst i plasteret, hjælper det dermed med impedanstilpasning. Tilførselsledningen, der forbinder hele jordplanet, er dog en smule hård, fordi det skal bores et hul i substratet. Denne fodringsmetode er meget enkel at fremstille og har mindre falsk stråling. Men dens største ulempe er, at den er forbundet til et jordplansstik.

Ikke-kontaktende feed

Strømmen gives til det udstrålende element fra fødeledningen med elektromagnetisk kobling. Disse fodermetoder findes i tre typer; blændekoblet, nærhedskoblet og stikledningsfremføring.

Aperture Coupled Feed

Aperturtilførselsteknikken inkluderer to dielektriske substrater som antenne dielektrisk substrat og et fødedielektrisk substrat, som er opdelt blot gennem et jordplan og har et mellemrum i midten. Metallappen er placeret over antennens substrat, hvorimod jordplanet er placeret på en anden side af antennens dielektriske. For at give isolation er fødeledningen og fødedielektrikum placeret på den anden side af jordplanet.

Denne fodringsteknik giver en enestående polarisationsrenhed, som er uopnåelig med andre fodringsteknikker. Aperture couple feed giver høj båndbredde og er yderst hjælpsom i applikationer, hvor vi ikke ønsker at bruge ledninger fra enkeltlag til et andet. Den største ulempe ved denne fodringsteknik er, at den skal fremstilles i flere lag.

Nærhedskoblet foder

Nærhedskoblet fodring kaldes også indirekte fodring, hvor jordplanet ikke er til stede. Sammenlignet med en blændekoblet fødeantenne er den meget enkel at fremstille. På den ledende overflade af antennen er der en spalte, og kobling er givet med en mikrostrip-linje.

Denne fodringsmetode giver lav falsk stråling og en enorm båndbredde. Tilførselsledningen i denne metode er placeret mellem to dielektriske substrater. Tilførselsledningens kant er arrangeret på et eller andet tidspunkt, hvor som helst indgangsimpedansen for mikrostrip-antennen er 50 ohm. Denne fodringsteknik har forbedret båndbreddeeffektiviteten sammenlignet med de andre typer metoder. Den største ulempe ved denne teknik er; at flerlagsfremstilling er mulig, og det giver dårlig polarisationsrenhed.

Branch Line Feed

I grenledningsfremføringsteknikken er en ledende strimmel direkte forbundet med patchkanten af ​​mikrostrimlen. Sammenlignet med lappen er bredden af ​​den ledende strimmel mindre. Den største fordel ved denne fodringsteknik er; at foderet ætses på et lignende underlag for at give en plan struktur.

Et indsat snit kan integreres i patchen for at få fremragende impedanstilpasning uden krav om noget ekstra matchende element. Dette kan opnås ved at kontrollere den indsatte position korrekt, ellers kan vi skære spalten i skiver og ætse den fra lappen med en passende størrelse. Ydermere bliver denne fodringsteknik brugt og kaldet som grenledningsfodringsteknik.

Microstrip-antennestrålingsmønster

Den grafiske repræsentation af antennens strålingsegenskaber er kendt som strålingsmønster, som forklarer, hvordan antennen udsender energi ud i rummet. Variationen i effekten som en ankomstvinkels funktion overvåges i det fjerne felt af antennen.

Mikrostrip-antennes strålingsmønster er bredt, og det har mindre strålingseffekt og smal frekvens BW. Mikrostrip-antennens strålingsmønster er vist nedenfor, hvilket mindre retningsevne har. Ved at bruge disse antenner kan et array dannes til at have en overlegen retningsbestemmelse.

Egenskaber

Det mikrostrip antenne egenskaber omfatte følgende.

• Mikrostrip-antenneplasteret skal være et ekstremt tyndt ledende område.
• Sammenlignet med en patch bør jordplanet have ret ekstremt store dimensioner.
• Fotoætsning på substratet udføres for at konstruere det udstrålende element og fødelinjer.
• Et tykt dielektrisk substrat med dielektricitetskonstanten i området 2,2 til 12 giver fremragende ydeevne af en antenne.
• Microstrip-elementarrays i microstrip-antennedesignet tilbyder overlegen retningsbestemmelse.
• Microstrip-antenner tilbyder høj strålebredde.
• Denne antenne giver ekstremt højkvalitetsfaktorer, fordi en høj Q-faktor resulterer i lav effektivitet og lille båndbredde. Men dette kan kompenseres ved blot at øge bredden af ​​underlaget. Imidlertid vil stigningen i bredden ud over en bestemt grænse forårsage et unødvendigt effekttab.

Fordele og ulemper

Det fordelene ved mikrostrip-antenne omfatte følgende.

• Microstrip-antenner er meget små.
• Disse antenners vægt er mindre.
• Fremstillingsproceduren fra denne antenne er enkel.
• Dens installation er meget nem på grund af dens lille størrelse og volumen.
• Det giver enkel integration af andre enheder.
• Denne antenne kan udføre dobbelt og tredobbelt frekvens operationer.
• Disse antennesystemer kan nemt konstrueres.
• Denne antenne giver en høj grad af robusthed over stærke overflader.
• Det er nemt at fremstille, tilpasse og ændre..
• Denne antenne har en enkel og billig konstruktion.
• I denne antenne er lineær og cirkulær polarisering opnåelig.
• Det er velegnet til array-antenner.
• Den er kompatibel med monolitiske mikrobølge-IC'er.
• Båndbredden kan udvides ved blot at forbedre bredden af ​​dielektrisk materiale.

Det ulemper ved mikrostrip-antenner omfatte følgende.

• Denne antenne giver mindre forstærkning.
• Effektiviteten af ​​denne type antenne er lav på grund af leder- og dielektriske tab.
• Denne antenne har et højt område af krydspolarisationsstråling.
• Strømhåndteringskapaciteten af ​​denne antenne er lav.
• Den har mindre impedansbåndbredde.
• Strukturen af ​​denne antenne udstråler fra feeds og andre samlingspunkter.
• Denne antenne viser ekstremt følsom ydeevne over for økologiske faktorer.
• Disse antenner er mere tilbøjelige til smedet foderstråling.
• Denne antenne har flere leder- og dielektriske tab.

Ansøgninger

Det bruger eller anvendelser af mikrostrip-antenner omfatte følgende.

• Microstrip-antenner er anvendelige i forskellige områder; i missiler, satellitter , rumfartøjer, fly, trådløse kommunikationssystemer, mobiltelefoner, fjernmåling og radarer.
• Disse antenner bruges i trådløs kommunikation. for at vise kompatibilitet med håndholdte enheder såsom mobiltelefoner og personsøgere.
• Disse bruges på missiler som kommunikationsantenner.
• Disse antenner har en lille størrelse, så de bruges i mikrobølge- og satellitkommunikationsapplikationer.
• GPS er en af ​​de vigtigste fordele ved mikrostrip-antenner, fordi det giver lethed inden for sporing af køretøjer og marinesoldater.
• Disse bruges i phased array radarer at håndtere båndbreddetolerance svarende til en procentdel.

Hvordan man forbedrer båndbredden af ​​Microstrip-antenne?

Båndbredden af ​​en mikrostrip-antenne kan forbedres ved hjælp af forskellige teknikker som at forbedre substrattykkelsen med lav dielektricitetskonstant, slidsskæring, sondefremføring gennem skæring og forskellige former for antenner

Hvorfor stråler mikrostrip-antenner?

Microstrip patch-antenner udstråler hovedsageligt på grund af randfelterne mellem patchkanten og jordplanet.

Hvordan øges forstærkningen af ​​Microstrip-antenne?

Forstærkningen af ​​mikrostrip-antennen kan øges med en parasitisk patch & luftspalte mellem fødefeltet og jordplanet.

Dette er således en oversigt over mikrostrip-antenne , arbejde og dets applikationer. Denne antenne er en ganske moderne opfindelse, der tillader bekvem integration af en antenne og andre drivende kredsløb i et kommunikationssystem på et fælles printkort (eller) en halvlederchip. Disse bruges i vid udstrækning i en lang række nuværende mikrobølgesystemer i området af gigahertz. De vigtigste fordele ved denne antenne er; lette, lave omkostninger, konforme former og kompatibilitet med de monolitiske og hybride mikrobølge-IC'er. Her er et spørgsmål til dig, hvad er en dipol antenne ?