СВЧ технология - курс и ход исследования антенны PCB СВЧ

Высокочастотные микроволновые PCB-антенны и высокочастотные микроволновые антенные решетки - это «глаза и уши» всех беспроводных систем. Согласно стандарту IEEE (145-1983), антенну можно определить просто как «устройство для передачи и приема радиоволн». Антенна служит в качестве преобразователя между передатчиком и свободным пространством или между средой и приемником. В широком смысле антенны можно разделить на три категории, а именно: изотропные, всенаправленные и направленные. Изотропная антенна - это гипотетическая концепция единичного усиления во всех направлениях. Она служит эталоном, по которому измеряются реальные элементы антенны. Всенаправленная антенна является наиболее близкой реализацией изотропной антенны с практически постоянным коэффициентом усиления в опорной плоскости (по азимуту или высоте) и широко используется в вещательных приложениях. Направленные антенны с их высоким коэффициентом усиления и узкой диаграммой направленности излучения (лучом) желательны для таких приложений, как радиообнаружение и дальность (радар) и связь «точка-точка».

В 1830 году Майкл Фарадей представил кольцевую антенну в рамках своего эксперимента по изучению связи электрического и магнитного полей. Позже Генрих Герц открыл электромагнитные волны и разработал дипольные антенны. В 1901 году Гульельмо Маркони отправил сообщения через Атлантику, используя несколько вертикальных прямых наземных линий. Это первое использование микроволновой антенной решетки. Максвелл написал первый сборник статей по теории ЭМ, постулированной Эрстедом, Фарадеем, Гауссом и другими и известной как уравнение Максвелла. Согласно Максвеллу, любой ускоряющийся заряд излучает, поэтому антенну можно определить как электромагнитное устройство, управляющее протеканием изменяющегося во времени тока. При этом возникает электромагнитное излучение.

Структура микроволновой высокочастотной антенны может состоять из трех частей, а именно: электромагнитного генератора, направляющей структуры и переходной области. Результаты моделирования рупорной антенны методом конечных элементов (МКЭ) показывают поток радиочастотной энергии в соответствующей части. Электромагнитный генератор подает ЭМ-волну в направляющую структуру (вход в рупор), а затем направляет ее в переходную область. Переходная область представляет собой согласованный трансформатор, который согласовывает импеданс провода с импедансом 377 Ом (импеданс свободного пространства). ЭМ-волны выходят из переходной области в свободное пространство, вызывая тем самым излучение антенны. Хотя список существующих типов антенн слишком велик, чтобы обобщать его здесь, некоторые из них будут выбраны и обсуждены на основе их коммерческого и военного применения.

Основание высокочастотной СВЧ антенны

Квалификационные параметры антенн (AQP)

Антенны могут быть количественно описаны в терминах пространственных и схемных параметров. AQP определяют характеристики излучения и импеданса антенны соответственно, и они перечислены ниже:

1. Коэффициент усиления антенны, G и коэффициент направленного действия (коэффициент направленного действия), D

2. Температура антенны, T

3. Сопротивление излучения, R

4. Ширина луча половинной мощности, полоса пропускания 3 дБ

5. Направление, направление наблюдения или угол сканирования

6. Характеристики уровня бокового лепестка (SLL), такие как пиковый SLL (PSLL), средний SLL (ASLL).

7. Характеристики кросс-поляризации (X-Pol).

8. Осевое соотношение (AR)

G измеряет направленность диаграммы направленности антенны по отношению к изотропной антенне (G = 1), поэтому можно измерить DBI (для изотропной I). Он отличается от D тем, что учитывает различные потери в проводниках, пространстве (излучение) и проводниках (диэлектрик или воздух) и не входит в коэффициент усиления направленности D. Поэтому G всегда меньше D. BW 3dB - это угловое расстояние между двумя точками по 3 дБ от максимального или пикового значения главного луча на диаграмме излучения. Направление прямой видимости определяет направление, в котором направлен главный луч диаграммы направленности антенны при механическом (с помощью серводвигателя) или электронном (путем цифрового наложения фазового сдвига на элементы решетки) сканировании. 

Идеальная высокочастотная СВЧ-антенна не имеет боковых лепестков. Однако из-за конечного характера плоскости заземления антенны, из-за длины фазы и отмены интерференции между током, текущим в прямом и обратном направлениях, ток, распространяющийся в апертуре антенны, будет отражаться от ее конечного края, что приводит к образованию боковых лепестков. Огибающая боковых лепестков может быть охарактеризована PSLL, ASLL и среднеквадратичным значением (RMS) SLL по результатам измерений ML. Уровень кросс-поляризации (X-Pol) определяет уровень интенсивности излучения в плоскости, ортогональной желаемой плоскости поляризации; поэтому для горизонтально поляризованной антенны X-Pol - это вертикальная поляризация. Плоскость поляризации определяет плоскость, содержащую вектор электрического поля. AR количественно определяет поляризацию антенны. Поляризация может быть эллиптической, круговой (AR〜0 дБ) или линейной (AR〜∞).

Классификация высокочастотных микроволновых антенн

К ним относятся проводные антенны, антенны бегущей волны, рефлекторные антенны, микрополосковые антенны, логопериодические антенны, апертурные антенны и другие антенны, такие как антенны ближней связи (NFC) и фрактальные антенны. В зависимости от типа, коэффициент усиления одного антенного элемента может составлять от 0 дБи (однополярные) до 10-12 дБи (например, конические щелевые антенны и спиральные антенны). Категории могут быть выбраны для определенных применений на основе таких характеристик, как мощность, G, SLL, размер, вес и объем. Например, антенны астрономических радиотелескопов требуют очень высокого коэффициента усиления и высокой мощности обработки, а также открытой установки на большой площади, подверженной различным и часто суровым топологическим и экологическим условиям. Эти требования обычно выполняются с помощью рефлекторных антенных решеток. Микрополосковые антенны HAPS HAPS 2, разработанные для плато с ограниченной площадью, полезны для истребителей, имеют небольшой вес, компактные размеры и подходят для использования в природе. Антенны на бегущей волне и лог-периодические антенны полезны для сверхширокополосных и высокомощных приложений.

Фрактальная антенна может быть использована для реализации встроенной антенной структуры внутри мобильного телефона. Планарная инвертированная складная антенна (PIFA) является хорошей структурой для носимых конформных антенн. Антенные решетки могут использоваться в таких приложениях, как радар, где требуется более высокий коэффициент усиления для обнаружения на большом расстоянии, и направленные лучи, где требуется отслеживание цели.

СВЧ высокочастотные антенные решетки можно разделить на три большие категории:

Линейная антенная решетка (LAA), состоящая из одномерного кластера антенных элементов. Планарная антенная решетка (PAA), состоящая из двумерного кластера антенных элементов. Конформная антенная решетка (CAA) представляет собой конформную решетку из одномерных или двумерных кластеров антенных элементов, расположенных на поверхности. Самайяр рассказал о применении микроволновых высокочастотных антенных решеток для реализации одновременных операций приема и передачи на частоте 5,8 ГГц в диапазоне ISM. Глубокие каньоны и т.д.