The Basics of Patch Antennas, Updat

The Basics of Patch Antennas, Updated

By D. Orban and G.J.K. Moernaut, Orban Microwave Products www.orbanmicrowave.com


Introduction

This article introduces the basic concepts of patch antennas. We use a simple rectangular, half wave long, probe-fed patch operating in its fundamental mode as an example.

Topics include principles of operation, impedance matching, radiation patterns, circular polarization, bandwidth, efficiency, alternative feed types, stacked patches and higher mode behavior.

This article was originally published in September 2005. After it was published, we received substantial feedback from those who read it. The article has been revised based upon the feedback we received.

Properties Of A Basic Microstrip Patch
A microstrip or patch antenna is a low-profile antenna that has a number of advantages over other antennas: it is lightweight, inexpensive, and electronics like LNA’s and SSPA’s can be integrated with these antennas quite easily. While the antenna can be a 3- D structure (wrapped around a cylinder, for example), it is usually flat and that is why patch antennas are sometimes referred to as planar antennas.

Figure 1 shows a patch antenna in its basic form: a flat plate over a ground plane. This antenna is often built of printed circuit board material and the substrate makes up the patch antenna’s dielectric. The distance between the patch and the ground plane – the substrate or dielectric height h – determines the bandwidth.

A thicker substrate increases the gain to some extent, but may lead to undesired effects like surface wave excitation: surface waves decrease efficiency and perturb the radiation pattern.


The ground plane should extend beyond the edges of the patch by at least 2 to 3 times the board thickness for proper operation. A ground plane that is too small will result in a reduced front to back ratio.

Making the ground plane larger also increases the gain, but as the ground plane size increases, diffraction near the edges plays less of a role and increasing the size of an already “large” ground plane has very little effect on gain.

In the antenna in Figure 1, the center conductor of a coaxial line serves as the feed probe to couple electromagnetic energy in and/or out of the patch. A thicker substrate leads to a longer feed probe, a larger feed probe inductance and a degradation of impedance matching. This can be compensated by using a different feed type and we’ll look at alternative feed methods further down.



ield



e
und plane







Figure 1: Cross section of a patch antenna in its basic form


A half wave long patch operates in what we call the fundamental mode: the electric field is zero at the center of the patch, maximum (positive) on one side, and minimum (negative) on the opposite side. These minima and maxima continuously change side like the phase of the RF signal.

The electric field does not stop abruptly near the patch's edges like it would in a cavity: the field extends beyond the outer periphery. These field extensions are known as fringing fields and cause the patch to radiate. Some popular analytic modeling techniques for patch antennas are based on this leaky-cavity concept and the fundamental mode of a rectangular patch is often denoted using cavity theory like the TM10 mode.

This TM notation often leads to confusion and here is an attempt to explain that:
Figure 1 uses a Cartesian coordinate system, where the x and y axes are parallel with the ground-plane and the z-axis is perpendicular to it.


TM stands for a magnetic field distribution –between patch and ground– that is transverse to the z-axis of the antenna shown in Figure 1. This ‘transverse’ with respect to the z-axis is usually dropped because the magnetic fields in patch antennas are always transverse to their z-axis.

So, we can simplify things and only consider three field components instead of six (magnetic and electric fields in each x, y and z axis): the electric field in the z direction, and the magnetic field components in x and y directions.

In general, modes are designated as TMnmp. The ‘p’ value is mostly omitted because the electric field variation is considered negligible in the z-axis since only a phase variation exists in the z axis. So, TMnm represents the field variations in the x and y directions.
The field variation in the y direction (impedance width direction) is negligible and m is 0. The field has one minimum-to-maximum variation in the x direction (resonance length direction and a half wave long), n is 1 in this case and we say that this patch operates in the TM10 mode.


Dimensions
The resonant length (the x axis in Figure 2) determines the resonant frequency and is about d/2 for a rectangular patch excited in its fundamental mode where d is the wavelength in the PCB material. The patch is actually a bit larger electrically than its physical dimensions due to the fringing fields and the difference between electrical and physical size is mainly dependent on the PC board thickness and dielectric constant of the substrate.

A good approximation for the resonant length is:


0
L  0.49 d = 0.49 .


This formula includes a first order correction for the edge extension due to the fringing fields, with:

• L = resonant length
• d = wavelength in PC board
• 0 = wavelength in free space
• r = dielectric constant of the printed circuit board material

Other parameters that have less influence on the resonant frequency include:

• Ground plane size
• Metal (copper) and dielectric thickness
• Patch (impedance) width


Impedance Matching
The feed position of a patch antenna excited in its fundamental mode is typically located in the center of the patch width direction (y axis) and somewhere along the patch resonant length direction (x axis). The exact position along the resonant length is determined by the electromagnetic field distribution in the patch. Looking at the current (magnetic field) and voltage (electric field) variation along the patch, the current has a maximum at the center and a minimum near the left and right edges, while the electric field is zero in the center and maximum near the left and minimum near the right edges. Keep in mind that the field distribution constantly changes in amplitude and sign. Figures 2 and 3 below clarify this:




Figure 2: Current distribution on the patch surface




|Z|typical=200


I
|Z|=0




V



Figure 3: Voltage (V), current (I) and impedance (|Z|) distribution along the patch's resonant length


From the magnitude of the current and the voltage, we can determine that the impedance is minimum (theoretically zero ) in the center of the patch and maximum (typically a couple hundred ) near the edges. This means that there are two points where the impedance is 50  somewhere along the resonant length (x) axis of the element and this is where you would typically connect to the antenna.

The possibility to connect to the patch at other impedance points is quite useful and impedances up to 200 Ω are common. For example, a two element array can be fed with a simple parallel feed by matching the individual patch elements to 100 Ω and connecting them in parallel results in 50 Ω end impedance without the need for impedance transformers. The same woks for a 4 element array with the elements connected at their 200 Ω point.

If you wanted to connect to the edge of the patch and were looking for a specific impedance, you could modify the width of the patch to yield the impedance your are looking for. Increasing the width decreases the impedance.



Fundamental Specifications Of Patch Antennas

Radiation Pattern
A patch antenna radiates power in certain directions and we say that the antenna has directivity (usually expressed in dBi). If the antenna had a 100% radiation efficiency, all directivity would be converted to gain. Typical half wave patches have efficiencies well above 90%.

The directivity of a patch can be estimated quite easily:

The radiating edges of a patch can be seen as two radiating slots placed above a ground- plane and, assuming all radiation occurs in one half of the hemisphere (on the patch side of the ground), we get a 3 dB directivity increase. This would be an antenna with a perfect front-to-back ratio where all radiation occurs towards the front and no radiation towards the back. This front-to-back ratio is highly dependent on ground-plane size and shape in real life.

Another 3 dB can be added because there are 2 slots. The length of these slots typically equals the impedance width (length in the y-axis) of the patch and the width of these slots equals the substrate height. These slots typically have a directivity of 2 to 3 dB compared to an isotropic radiator and behave like a dipole.

All of this results in a total maximum directivity of 8 to 9 dBi.

The rectangular patch excited in its fundamental mode has a maximum directivity in the direction perpendicular to the patch (z-axis or broadside). The directivity decreases when moving away from broadside towards lower elevations. The 3 dB beamwidth is the width


at which the gain of the beam decreases by 3 dB relative to the gain in broadside to either side of the main beam.

Figure 4 shows a typical radiation pattern for a square, half wave patch.



Figure 4: Typical radiation pattern of a simple square patch

So far, the directivity has been defined relative to an isotropic radiator and we use dBi. An isotropic radiator emits an equal amount of power in all directions and it has no directivity. Antenna directivity can also be specified relative to that of a dipole. A dipole has 2.15 dBi of directivity over an isotropic radiator. When we specify the directivity of an antenna relative to a dipole, we use dBd.

No antenna losses have been included so far and the integrated average of the directivity pattern over an entire sphere has to be 0 dBi. This implies that creating directi

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

พื้นฐานของเสาอากาศปรับปรุง การปรับปรุงโดย D. Orban G.J.K. Moernaut ผลิตภัณฑ์ไมโครเวฟ Orban ที่ www.orbanmicrowave.comแนะนำบทความนี้แนะนำแนวคิดพื้นฐานของโปรแกรมปรับปรุงเสาอากาศ เราใช้สี่เหลี่ยมเรียบง่าย ครึ่งคลื่นยาว โพรบรับแพทช์ทำงานในโหมดของพื้นฐานเป็นตัวอย่างด้วยหลักการของการดำเนินงาน จับคู่ความต้านทาน รูปแบบรังสี โพลาไรซ์แบบวงกลม แบนด์วิดท์ ประสิทธิภาพ ทางเลือกอาหารชนิด แพทช์ซ้อน และโหมดการทำงานที่สูงขึ้นบทความนี้ถูกเผยแพร่ครั้งแรกในเดือน 2005 กันยายน หลังจากที่ได้ถูกเผยแพร่ เราได้รับผลป้อนกลับที่พบจากคนอ่าน บทความมีการแก้ไขตามคำติชมที่เราได้รับคุณสมบัติของแพทช์ Microstrip พื้นฐานเสา microstrip หรือแพทช์เป็นเสาทรงต่ำที่มีประโยชน์มากกว่าส่วนอื่น ๆ: มีน้ำหนักเบา ราคาไม่แพง และอิเล็กทรอนิกส์เช่นของ LNA ของ SSPA สามารถรวมกับส่วนนี้ค่อนข้างง่าย ในขณะที่เสาจะมีโครงสร้าง 3 D (รอบ ๆ ทรงกระบอก ตัวอย่าง), ได้มักจะแบน และที่เป็นเหตุส่วนโปรแกรมปรับปรุงบางอย่างเป็นส่วนระนาบรูปที่ 1 แสดงเสาปรับปรุงรูปแบบพื้นฐาน: จานแบนผ่านระนาบพื้นดิน เสานี้มักจะสร้างวงจรพิมพ์บอร์ดวัสดุ และพื้นผิวทำให้ค่า dielectric ของเสาอากาศปรับปรุง ระยะห่างระหว่างโปรแกรมปรับปรุงเครื่องบินพื้น – พื้นผิวการเป็นฉนวนสูง h – กำหนดแบนด์วิดท์พื้นผิวที่หนาขึ้นเพิ่มกำไรบ้าง แต่อาจทำให้ผลไม่เหมือนผิวคลื่นในการกระตุ้น: คลื่นพื้นผิวลดประสิทธิภาพ และ perturb รูปแบบการแผ่รังสี เครื่องบินเราควรขยายเกินขอบของโปรแกรมปรับปรุง โดยน้อย 2-3 ครั้งบอร์ดความหนาสำหรับการดำเนินการที่เหมาะสม เครื่องบินพื้นดินที่เล็กเกินไปจะส่งผลในหน้าการสำรองอัตราส่วนลดทำให้ระนาบพื้นดินขนาดใหญ่เพิ่มกำไร แต่เป็นสนามบินขนาดเพิ่ม การเลี้ยวเบนใกล้ขอบเล่นน้อยมีบทบาท และเพิ่มขนาดของเครื่องบินพื้นแล้ว "ขนาดใหญ่" มีผลกระทบต่อกำไรน้อยมากในเสาในรูปที่ 1 นำศูนย์โคแอกเซียลบรรทัดทำหน้าที่เป็นโพรบอาหารเป็นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าคู่ใน และ/หรือออก จากโปรแกรมปรับปรุง พื้นผิวหนานำไปสู่ความยาวโพรบอาหาร inductance การโพรบอาหารขนาดใหญ่ และลดประสิทธิภาพของการจับคู่ความต้านทาน นี้สามารถชดเชยได้ โดยการใช้อาหารชนิดอื่น และเราจะดูตัวดึงข้อมูลอื่นเพิ่มเติมวิธีการลงieldอีเครื่องบินแดนรูปที่ 1: ข้ามส่วนของโปรแกรมปรับปรุงเสาอากาศแบบพื้นฐานแพทช์ยาวครึ่งคลื่นทำงานในสิ่งที่เราเรียกโหมดพื้นฐาน: สนามไฟฟ้าเป็นศูนย์กลางของแพทช์ สูงสุด (ค่าบวก) ในด้านหนึ่ง และต่ำสุด (ค่าลบ) ฝั่งตรงข้าม กมินิมาและแมกเหล่านี้อย่างต่อเนื่องเป็นเปลี่ยนด้านเช่นระยะของสัญญาณ RFสนามไฟฟ้าไม่หยุดกะทันหันใกล้ขอบของแพทช์เหมือนมันจะเป็นช่อง: ฟิลด์เกินยสปริงภายนอก ส่วนขยายของฟิลด์เหล่านี้เป็นแนวเขต และทำให้โปรแกรมฉาย บางนิยมเทคนิคการสร้างโมเดลสำหรับส่วนปรับปรุงตามแนวคิดนี้โพรงที่รั่ว และโหมดพื้นฐานของแพทช์สี่เหลี่ยมมักจะสามารถระบุโดยใช้ทฤษฎีช่องเช่นโหมด TM10เครื่องหมาย TM นี้มักทำให้สับสน และนี่คือความพยายามที่จะอธิบายที่:รูปที่ 1 ใช้ระบบพิกัดคาร์ทีเซียน ที่ x และ y แกนขนานกับระนาบพื้น และ z-axis การตั้งฉากจะ TM ยืนสำหรับการกระจายสนามแม่เหล็ก –ระหว่างแก้ไขและพื้นดิน – ที่ transverse การ z-axis ของเสาอากาศที่แสดงในรูปที่ 1 นี้ 'transverse' กับ z-axis มักจะหลุดเนื่องจากเหล็กในส่วนของแพทช์มัก transverse การ z-axis ของพวกเขาดังนั้น เราสามารถทำกิจกรรม และพิจารณาเฉพาะ ฟิลด์ส่วนประกอบที่สามแทนหก (แม่เหล็ก และไฟฟ้าเขตใน x แกน y และ z): สนามไฟฟ้าในทิศทาง z และส่วนประกอบของสนามแม่เหล็กใน x และ y เส้นทางโหมดทั่วไป ถูกกำหนดเป็น TMnmp ส่วนใหญ่ไม่ใส่ค่า 'p' เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้าถือว่า มีระยะใน z-axis ตั้งแต่เฉพาะการปรับเปลี่ยนระยะในแกน z ดังนั้น TMnm แสดงถึงรูปแบบของฟิลด์ใน x และ y ทิศทางการปรับเปลี่ยนฟิลด์ในทิศทาง y (ความต้านทานความกว้างทิศ) เป็นระยะ และ m คือ 0 ฟิลด์มีความแปรปรวนต่ำสุดสูงสุดหนึ่งในทิศทาง x (การสั่นพ้องความยาวทิศทางและครึ่งคลื่นยาว), n เป็น 1 ในกรณีนี้ และเราบอกว่า โปรแกรมนี้ทำงานในโหมด TM10มิติความยาวคงที่ (แกน x ในรูปที่ 2) กำหนดความถี่คงที่ และเป็นเรื่องเกี่ยวกับ d/2 สำหรับแพทช์สี่เหลี่ยมตื่นเต้นในโหมดพื้นฐานของที่ d เป็นความยาวคลื่นใน PCB วัสดุ โปรแกรมปรับปรุงจริงขนาดไฟฟ้ากว่าของมิติทางกายภาพเนื่องจากฟิลด์ fringing และความแตกต่างระหว่างขนาดของไฟฟ้า และทางกายภาพส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับความหนาของบอร์ด PC และ dielectric ค่าคงที่ของพื้นผิวประมาณดีสำหรับความยาวที่คงคือ: 0 L  0.49 d = 0.49สูตรนี้มีการแก้ไขใบสั่งแรกสำหรับส่วนขยายขอบเนื่องจากฟิลด์ fringing ด้วย:• L =ความยาวที่คง• d =ความยาวคลื่นในพีซี• 0 =ความยาวคลื่นในเนื้อที่• r =ค่าคงของ dielectric วัสดุบอร์ดวงจรพิมพ์รวมถึงพารามิเตอร์อื่น ๆ ที่มีอิทธิพลน้อยลงในความถี่คงที่:•ระนาบพื้นดินขนาด•โลหะ (ทองแดง) และความหนาที่เป็นฉนวน•ความกว้างของแพทช์ (ความต้านทาน) จับคู่ความต้านทานThe feed position of a patch antenna excited in its fundamental mode is typically located in the center of the patch width direction (y axis) and somewhere along the patch resonant length direction (x axis). The exact position along the resonant length is determined by the electromagnetic field distribution in the patch. Looking at the current (magnetic field) and voltage (electric field) variation along the patch, the current has a maximum at the center and a minimum near the left and right edges, while the electric field is zero in the center and maximum near the left and minimum near the right edges. Keep in mind that the field distribution constantly changes in amplitude and sign. Figures 2 and 3 below clarify this:Figure 2: Current distribution on the patch surface|Z|typical=200I|Z|=0VFigure 3: Voltage (V), current (I) and impedance (|Z|) distribution along the patch's resonant length From the magnitude of the current and the voltage, we can determine that the impedance is minimum (theoretically zero ) in the center of the patch and maximum (typically a couple hundred ) near the edges. This means that there are two points where the impedance is 50  somewhere along the resonant length (x) axis of the element and this is where you would typically connect to the antenna.The possibility to connect to the patch at other impedance points is quite useful and impedances up to 200 Ω are common. For example, a two element array can be fed with a simple parallel feed by matching the individual patch elements to 100 Ω and connecting them in parallel results in 50 Ω end impedance without the need for impedance transformers. The same woks for a 4 element array with the elements connected at their 200 Ω point.
If you wanted to connect to the edge of the patch and were looking for a specific impedance, you could modify the width of the patch to yield the impedance your are looking for. Increasing the width decreases the impedance.



Fundamental Specifications Of Patch Antennas

Radiation Pattern
A patch antenna radiates power in certain directions and we say that the antenna has directivity (usually expressed in dBi). If the antenna had a 100% radiation efficiency, all directivity would be converted to gain. Typical half wave patches have efficiencies well above 90%.

The directivity of a patch can be estimated quite easily:

The radiating edges of a patch can be seen as two radiating slots placed above a ground- plane and, assuming all radiation occurs in one half of the hemisphere (on the patch side of the ground), we get a 3 dB directivity increase. This would be an antenna with a perfect front-to-back ratio where all radiation occurs towards the front and no radiation towards the back. This front-to-back ratio is highly dependent on ground-plane size and shape in real life.

Another 3 dB can be added because there are 2 slots. The length of these slots typically equals the impedance width (length in the y-axis) of the patch and the width of these slots equals the substrate height. These slots typically have a directivity of 2 to 3 dB compared to an isotropic radiator and behave like a dipole.

All of this results in a total maximum directivity of 8 to 9 dBi.

The rectangular patch excited in its fundamental mode has a maximum directivity in the direction perpendicular to the patch (z-axis or broadside). The directivity decreases when moving away from broadside towards lower elevations. The 3 dB beamwidth is the width


at which the gain of the beam decreases by 3 dB relative to the gain in broadside to either side of the main beam.

Figure 4 shows a typical radiation pattern for a square, half wave patch.



Figure 4: Typical radiation pattern of a simple square patch

So far, the directivity has been defined relative to an isotropic radiator and we use dBi. An isotropic radiator emits an equal amount of power in all directions and it has no directivity. Antenna directivity can also be specified relative to that of a dipole. A dipole has 2.15 dBi of directivity over an isotropic radiator. When we specify the directivity of an antenna relative to a dipole, we use dBd.

No antenna losses have been included so far and the integrated average of the directivity pattern over an entire sphere has to be 0 dBi. This implies that creating directi

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

พื้นฐานของแพทช์เสาอากาศการปรับปรุงโดยดี Orban และ GJK Moernaut, ออร์ผลิตภัณฑ์ไมโครเวฟ www.orbanmicrowave.com บทนำบทความนี้จะแนะนำแนวคิดพื้นฐานของแพทช์เสาอากาศ เราใช้รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าง่ายๆครึ่งคลื่นยาวแพทช์สอบสวนเลี้ยงทำงานในโหมดพื้นฐานเป็นตัวอย่าง. หัวข้อต่างๆรวมถึงหลักการของการดำเนินการจับคู่ความต้านทานรูปแบบการฉายรังสีขั้วกลมแบนด์วิดธ์ที่มีประสิทธิภาพประเภทอาหารทางเลือกแพทช์ซ้อนกันและสูงกว่า พฤติกรรมโหมด. บทความนี้ตีพิมพ์ครั้งแรกในเดือนกันยายนปี 2005 หลังจากที่มันถูกตีพิมพ์เราได้รับการตอบรับอย่างมากจากผู้ที่อ่านมัน บทความที่ได้รับการแก้ไขขึ้นอยู่กับการตอบรับที่เราได้รับ. คุณสมบัติของพื้นฐานไมโคร Patch ไมโครหรือเสาอากาศแพทช์เป็นเสาอากาศต่ำรายละเอียดว่ามีจำนวนของข้อได้เปรียบกว่าเสาอากาศอื่น ๆ : มันมีน้ำหนักเบาราคาไม่แพงและอิเล็กทรอนิกส์เช่น LNA และ SSPA สามารถบูรณาการกับเสาอากาศเหล่านี้ค่อนข้างง่าย ในขณะที่เสาอากาศสามารถเป็นโครงสร้าง D 3 (พันรอบกระบอกเป็นต้น) ก็มักจะแบนและนั่นคือเหตุผลที่เสาอากาศแพทช์บางครั้งเรียกว่าเป็นเสาอากาศระนาบ. รูปที่ 1 แสดงให้เห็นเสาอากาศแพทช์ในรูปแบบพื้นฐานที่ก แผ่นแบนเหนือระนาบพื้น เสาอากาศนี้มักจะสร้างจากวัสดุแผงวงจรพิมพ์และพื้นผิวทำให้อิเล็กทริกเสาอากาศแพทช์ของ ระยะห่างระหว่างแพทช์และระนาบพื้น - พื้นผิวหรือความสูงเอชอิเล็กทริก - กำหนดแบนด์วิดธ์. พื้นผิวหนาเพิ่มกำไรไปบ้าง แต่อาจนำไปสู่ผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์เช่นพื้นผิวคลื่นกระตุ้น: คลื่นพื้นผิวลดลงอย่างมีประสิทธิภาพและรบกวนการฉายรังสี รูปแบบ. เครื่องบินพื้นดินควรขยายเกินขอบของแพทช์อย่างน้อย 2 ถึง 3 ครั้งความหนาของคณะกรรมการสำหรับการดำเนินงานที่เหมาะสม เครื่องบินพื้นดินที่มีขนาดเล็กเกินไปจะส่งผลให้หน้าลดการสำรองอัตราส่วน. ทำระนาบพื้นขนาดใหญ่นอกจากนี้ยังเพิ่มกำไร แต่เป็นระนาบพื้นเพิ่มขึ้นขนาดเลนส์ใกล้ขอบเล่นน้อยบทบาทและเพิ่มขนาดของที่ แล้ว "ใหญ่" ระนาบพื้นมีผลกระทบน้อยมากในกำไร. ในเสาอากาศในรูปที่ 1 ที่ศูนย์ตัวนำของสายโคแอกเชียลทำหน้าที่เป็นหัววัดฟีดคู่พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในและ / หรือออกจากแพทช์ พื้นผิวหนาขึ้นจะนำไปสู่การสอบสวนอาหารอีกต่อไปการเหนี่ยวนำการสอบสวนฟีดขนาดใหญ่และการเสื่อมสภาพของความต้านทานที่ตรงกัน นี้สามารถได้รับการชดเชยโดยใช้ชนิดของอาหารที่แตกต่างกันและเราจะดูที่วิธีการฟีดทางเลือกต่อไปลง. ield อีและเครื่องบินรูปที่1: ภาพตัดขวางของเสาอากาศแพทช์ในรูปแบบพื้นฐานของครึ่งคลื่นแพทช์ยาวทำงานในสิ่งที่เราเรียกโหมดพื้นฐาน: สนามไฟฟ้าเป็นศูนย์ที่ศูนย์ของแพทช์ที่สูงสุด (บวก) ในด้านหนึ่งและต่ำสุด (ลบ) อยู่ฝั่งตรงข้าม น้อยเหล่านี้และสูงสุดอย่างต่อเนื่องเปลี่ยนข้างเคียงเช่นเฟสของสัญญาณ RF ที่. สนามไฟฟ้าไม่หยุดทันทีที่อยู่ใกล้ขอบของแพทช์เหมือนมันจะอยู่ในโพรง: สนามขยายเกินขอบด้านนอก เหล่านี้ส่วนขยายสาขาเป็นที่รู้จักกันเป็นฟิลด์แนวและทำให้เกิดการแพทช์ที่จะแผ่ เทคนิคการสร้างแบบจำลองการวิเคราะห์ที่นิยมสำหรับเสาอากาศแพทช์อยู่บนพื้นฐานของแนวคิดนี้โพรงรั่วและโหมดพื้นฐานของแพทช์รูปสี่เหลี่ยมจะแสดงมักจะใช้ทฤษฎีโพรงเช่นโหมด TM10. สัญกรณ์ TM นี้มักจะนำไปสู่ความสับสนและนี่คือความพยายามที่จะอธิบายว่า : รูปที่ 1 ใช้ระบบพิกัดคาร์ทีเซียนที่ x และ y ที่แกนขนานกับพื้นระนาบและแกน Z จะตั้งฉากกับมัน. TM ย่อมาจากการกระจายสนามแม่เหล็กแพทช์ -between และแผ่นดินชุดที่ขวางไป แกน Z ของเสาอากาศแสดงในรูปที่ 1 นี้ 'ขวาง' ที่เกี่ยวกับแกน z ที่มักจะปรับตัวลดลงเนื่องจากสนามแม่เหล็กในแพทช์เสาอากาศอยู่เสมอขวางถึง z แกนของพวกเขา. ดังนั้นเราจึงสามารถลดความซับซ้อนและสิ่งที่จะพิจารณา สามองค์ประกอบสนามแทนหก (สนามแม่เหล็กไฟฟ้าในแต่ละ x, แกน y z และ). สนามไฟฟ้าในทิศทางซีและส่วนประกอบของสนามแม่เหล็กในทิศทาง x และ y ที่โดยทั่วไปโหมดจะกำหนดให้เป็นTMnmp p '' ค่าที่ถูกละไว้ส่วนใหญ่เป็นเพราะการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้าถือว่าเป็นเล็กน้อยในแกนซีตั้งแต่เพียงรูปแบบขั้นตอนที่มีอยู่ในแกน Z ดังนั้นแสดงให้เห็นถึงรูปแบบ TMnm สนามใน x และ y ทิศทาง. การเปลี่ยนแปลงสนามในทิศทาง y ที่ (ทิศทางความกว้างความต้านทาน) เป็นเล็กน้อยและ m เป็น 0 ที่สนามมีการเปลี่ยนแปลงขั้นต่ำต่อการสูงสุดในทิศทาง x (ความยาวเสียงสะท้อน ทิศทางและครึ่งคลื่นยาว) n เป็น 1 ในกรณีนี้และเราบอกว่าแพทช์นี้ทำงานในโหมด TM10. ขนาดความยาวจังหวะ (แกน x ในรูปที่ 2) กำหนดความถี่จังหวะและเป็นเรื่องเกี่ยวกับd / 2 แพทช์สี่เหลี่ยมตื่นเต้นในโหมดพื้นฐานที่dเป็นความยาวคลื่นในวัสดุ PCB ที่ แพทช์เป็นจริงบิตขนาดใหญ่ไฟฟ้ากว่าขนาดทางกายภาพเนื่องจากสาขาแนวและความแตกต่างระหว่างขนาดไฟฟ้าและทางกายภาพเป็นส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับความหนาของบอร์ด PC และคงอิเล็กทริกของพื้นผิว. ประมาณการที่ดีสำหรับความยาวจังหวะคือ 0. L  0.49 = 0.49 dสูตรนี้รวมถึงการแก้ไขลำดับแรกสำหรับการขยายขอบเนื่องจากสาขาแนวกับ: • L = ความยาวจังหวะ•d = ความยาวคลื่นในบอร์ด PC •0 = ความยาวคลื่นในพื้นที่ว่าง• r = อิเล็กทริกคงที่ของแผงวงจรพิมพ์วัสดุพารามิเตอร์อื่นๆ ที่มีอิทธิพลน้อยลงในการสะท้อนความถี่รวมถึง: •ขนาดพื้นเครื่องบิน•โลหะ (ทองแดง) และความหนาอิเล็กทริก•แพทช์(ความต้านทาน) ความกว้างความต้านทานการจับคู่ตำแหน่งฟีดของเสาอากาศแพทช์รู้สึกตื่นเต้นในโหมดพื้นฐานมักจะอยู่ในใจกลางของความกว้างของแพทช์ทิศทาง (แกน y) และบางตามแพทช์ทิศทางความยาวจังหวะ (แกน x) ตำแหน่งที่แน่นอนตามความยาวจังหวะจะถูกกำหนดโดยการกระจายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในแพทช์ กำลังมองหาที่ปัจจุบัน (สนามแม่เหล็ก) และแรงดันไฟฟ้ารูปแบบ (สนามไฟฟ้า) พร้อมแพทช์ในปัจจุบันมีสูงสุดที่ศูนย์และต่ำสุดอยู่ใกล้ขอบด้านซ้ายและขวาในขณะที่สนามไฟฟ้าเป็นศูนย์ในศูนย์และสูงสุดใกล้ ซ้ายและต่ำสุดอยู่ใกล้ขอบด้านขวา เก็บไว้ในใจว่าการกระจายสนามอย่างต่อเนื่องในการเปลี่ยนแปลงความกว้างและเข้าสู่ระบบ ตัวเลขที่ 2 และที่ 3 ด้านล่างชี้แจงนี้: รูปที่ 2: การจัดจำหน่ายปัจจุบันบนพื้นผิวแพทช์| Z | ทั่วไป = 200ฉัน| Z | = 0 V รูปที่ 3: แรงดันไฟฟ้า (V) ปัจจุบัน (I) และความต้านทาน (| Z | ) กระจายไปตามความยาวจังหวะของแพทช์จากขนาดของกระแสและแรงดันที่เราสามารถตรวจสอบได้ว่าเป็นความต้านทานต่ำสุด(ในทางทฤษฎีศูนย์) ในศูนย์ของแพทช์และสูงสุด (ปกติสองร้อย) ใกล้ขอบ ซึ่งหมายความว่ามีสองจุดที่ความต้านทาน 50 บางตามความยาวจังหวะ (x) แกนขององค์ประกอบและนี่คือที่คุณมักจะเชื่อมต่อกับเสาอากาศ. ความเป็นไปได้ที่จะเชื่อมต่อกับแพทช์ที่จุดต้านทานอื่น ๆ ที่ค่อนข้าง ประโยชน์และความต้านทานได้ถึง 200 Ωเป็นเรื่องธรรมดา ยกตัวอย่างเช่นอาร์เรย์สององค์ประกอบที่สามารถเลี้ยงด้วยอาหารที่เรียบง่ายแบบคู่ขนานโดยการจับคู่องค์ประกอบแต่ละแพทช์ 100 Ωและการเชื่อมต่อพวกเขาในผลการขนานใน 50 Ωต้านทานปลายโดยไม่ต้องใช้หม้อแปลงต้านทาน woks เดียวกันสำหรับอาร์เรย์องค์ประกอบ 4 องค์ประกอบที่เชื่อมต่อที่ 200 Ωจุดของพวกเขา. ถ้าคุณต้องการที่จะเชื่อมต่อไปยังขอบของแพทช์และถูกมองหาสมรรถภาพเฉพาะคุณสามารถปรับเปลี่ยนความกว้างของแพทช์เพื่อให้ความต้านทานของคุณ กำลังมองหา การเพิ่มความกว้างลดความต้านทาน. ข้อมูลจำเพาะพื้นฐานของแพทช์เสาอากาศรังสีแบบเสาอากาศแพทช์แผ่กระจายอำนาจไปในทิศทางที่แน่นอนและเราบอกว่าเสาอากาศมีทิศทาง(แสดงมักจะอยู่ใน dBi) หากเสาอากาศมีประสิทธิภาพรังสี 100% ทิศทางทุกคนจะได้รับการแปลงที่จะได้รับ โดยทั่วไปแพทช์คลื่นครึ่งมีประสิทธิภาพดีกว่า 90%. ทิศทางของแพทช์สามารถประมาณได้อย่างง่ายดาย: ขอบแผ่ของแพทช์สามารถมองเห็นเป็นสองช่องแผ่อยู่เหนือระนาบพื้นดินและสมมติว่ารังสีทั้งหมดที่เกิดขึ้นในครึ่งหนึ่ง ของซีกโลก (ในด้านแพทช์ของพื้นดิน) เราได้รับเพิ่มขึ้น 3 ทิศทางเดซิเบล นี้จะเป็นเสาอากาศที่มีอัตราส่วนหน้าไปกลับที่สมบูรณ์แบบที่รังสีทั้งหมดที่เกิดขึ้นไปทางด้านหน้าและรังสีที่มีต่อด้านหลัง นี้อัตราส่วนด้านหน้าไปด้านหลังจะสูงขึ้นอยู่กับขนาดของพื้นระนาบและรูปร่างในชีวิตจริง. อีก 3 เดซิเบลสามารถเพิ่มเพราะมี 2 ช่อง ความยาวของช่องเหล่านี้มักจะมีค่าเท่ากับความกว้างของความต้านทาน (ความยาวในแกน y) ของแพทช์และความกว้างของช่องเหล่านี้เท่ากับความสูงของพื้นผิว ช่องเหล่านี้มักจะมีทิศทางของ 2-3 เดซิเบลเมื่อเทียบกับหม้อน้ำ isotropic และทำตัวเหมือนขั้วที่. ทั้งหมดนี้ส่งผลในทิศทางสูงสุดรวมของ 8-9 dBi. แพทช์สี่เหลี่ยมตื่นเต้นในโหมดพื้นฐานของมีทิศทางสูงสุด ทิศทางที่ตั้งฉากกับแพทช์ (แกน Z หรือโจมตี) ทิศทางลดลงเมื่อย้ายออกไปจากโจมตีต่อเอนไซม์ไล beamwidth 3 เดซิเบลคือความกว้างที่กำไรจากคานลดลง3 เดซิเบลเมื่อเทียบกับกำไรในโจมตีด้านข้างของคานหลักอย่างใดอย่างหนึ่ง. รูปที่ 4 แสดงให้เห็นถึงรูปแบบการฉายรังสีปกติสำหรับตารางแพทช์คลื่นครึ่งหนึ่ง. รูปที่ 4: รูปแบบการฉายรังสีโดยทั่วไปของแพทช์ตารางที่เรียบง่ายเพื่อให้ห่างไกลทิศทางที่ได้รับการกำหนดเทียบกับหม้อน้ำisotropic และเราจะใช้ dBi หม้อน้ำ isotropic ปล่อยออกมาในปริมาณที่เท่ากันของการใช้พลังงานในทุกทิศทางและมีทิศทางไม่ ทิศทางเสาอากาศยังสามารถระบุได้ว่าเมื่อเทียบกับของขั้วคู่ ไดโพลมี 2.15 dBi ของทิศทางมากกว่า isotropic หม้อน้ำ เมื่อเราระบุทิศทางของญาติเสาอากาศไดโพลที่เราใช้ DBD. การสูญเสียเสาอากาศไม่ได้รับการรวมเพื่อให้ห่างไกลและค่าเฉลี่ยรวมของรูปแบบทิศทางมากกว่าทรงกลมทั้งหมดจะต้องมี 0 dBi ซึ่งหมายความว่าการสร้าง Directi

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

พื้นฐานของเสาอากาศแพทช์อัพเดท

โดย ออร์เบิน และ g.j.k. moernaut ออร์เบิน ไมโครเวฟ , ผลิตภัณฑ์ www.orbanmicrowave . com


บทนำ

บทความนี้แนะนำแนวคิดพื้นฐานของแพทช์เสาอากาศ เราใช้แบบครึ่งคลื่นสี่เหลี่ยมยาว โพรบป้อนงานขั้นพื้นฐานของแพทช์โหมดตัวอย่าง

รวมถึงหลักการของการดำเนินการจับคู่อิมพีแดนซ์ของรูปแบบวงกลมโพลาไรเซชัน , แบนด์วิดธ์ , ประสิทธิภาพ , ประเภทอาหารทางเลือก ซ้อนแพทช์และพฤติกรรมโหมดสูงกว่า

บทความนี้ถูกตีพิมพ์ในกันยายน 2005 หลังจากที่มันถูกตีพิมพ์ เราได้รับการตอบรับอย่างมาก จากผู้ที่ได้อ่านมัน บทความที่ได้รับการแก้ไขตามข้อเสนอแนะที่เราได้รับ

คุณสมบัติของแผ่นไมโครสตริป
ขั้นพื้นฐานสายอากาศไมโครสตริปหรือแพทช์เสาอากาศเป็นต่ำโปรไฟล์สายอากาศที่มีจำนวนของข้อได้เปรียบกว่าอื่น ๆ : เป็นส่วนที่เบา ไม่แพง และอิเล็กทรอนิกส์ เช่น สารละลาย และ sspa สามารถรวมกับเสาอากาศเหล่านี้ค่อนข้างง่าย ในขณะที่เสาอากาศจะเป็น 3 - D โครงสร้าง ( ห่อรอบกระบอก , ตัวอย่างเช่น )มันมักจะแบนและนั่นคือเหตุผลที่ทำไมบางครั้งเรียกว่าแพทช์เสาอากาศเสาอากาศระนาบ .

รูปที่ 1 แสดงในรูปแบบของแพทช์เสาอากาศพื้นฐาน : จานแบนกว่าระนาบพื้น สายอากาศชนิดนี้มักสร้างขึ้นจากวัสดุพิมพ์วงจร และพื้นผิวให้อัพแพทช์เสาอากาศของไดอิเล็กตริก .ระยะห่างระหว่างแพทช์และเครื่องบินพื้นดิน–พื้นผิวหรือการใช้แบนด์วิดธ์สูง h )

ผิวหนาเพิ่มได้บ้าง แต่อาจจะก่อให้เกิดผลที่ไม่พึงปรารถนา เช่น การกระตุ้นคลื่นพื้นผิวคลื่นพื้นผิวลดประสิทธิภาพและทำให้ไม่สบายใจรังสีแบบ

.ระนาบดินควรขยายเกินขอบของ patch อย่างน้อย 2 ถึง 3 ครั้ง บอร์ดความหนาเหมาะสมการดำเนินงาน สนามเครื่องบินเล็กเกินไปจะมีผลในการลดหน้าอัตราส่วนกลับ

ทำให้พื้นดินเครื่องบินขนาดใหญ่ยังเพิ่มได้ แต่เป็นสนามเครื่องบินขนาดเพิ่มขึ้นเลนส์ใกล้ขอบเล่นน้อยลงของบทบาทและการเพิ่มขนาดของแล้ว " ใหญ่ " เครื่องบินพื้นดินมีผลน้อยมากต่อได้

ในเสาอากาศในรูปที่ 1 ศูนย์ตัวนำของสาย Coaxial ซึ่งฟีดสอบสวนคู่พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าและ / หรือออกของแพทช์ พื้นผิวที่หนาขึ้น นำไปสู่การสอบสวนอาหารอีกต่อไปขนาดใหญ่ฟีดสอบสวนตัวเหนี่ยวนำและการย่อยสลายของอิมพีแดนซ์ที่ตรงกัน นี้สามารถชดเชยโดยการใช้ประเภทอาหารที่แตกต่างกันและเราจะดูที่วิธีการเลือกอาหารเพิ่มเติมลง







E
ield และเครื่องบิน







รูปที่ 1 : ข้ามส่วนของแพทช์เสาอากาศในรูปแบบพื้นฐานของมัน

ครึ่งคลื่นยาวแพททำงานในสิ่งที่เราเรียกโหมดพื้นฐาน :สนามไฟฟ้าเป็นศูนย์กลางของแพทช์สูงสุด ( บวก ) ในด้านหนึ่งและต่ำสุด ( ลบ ) ในด้านตรงข้าม ไม่นี่ ม๊า และ แม็กซิมาเหล่านี้อย่างต่อเนื่องเปลี่ยนข้างชอบเฟสของสัญญาณ RF .

สนามไฟฟ้า ไม่หยุดชะงัก ใกล้ขอบของแพทเหมือนจะอยู่ในโพรง : สนามเกินขอบด้านนอกขยายเขตเหล่านี้จะเรียกว่า fringing เขต และเพราะแพทช์เพื่อแผ่ บางคนนิยมวิเคราะห์แบบจำลองเทคนิคเสาอากาศแพทช์ตามแนวคิดนี้รูรั่วและโหมดพื้นฐานของแพทช์เป็นรูปสี่เหลี่ยมมักจะกล่าวคือการใช้ทฤษฎีโพรงเหมือนโหมด tm10

นี้ โน้ต ซึ่งมักจะนำไปสู่ความสับสนและนี่คือความพยายามที่จะอธิบายว่า :