Патч-антенна: как устроена, как рассчитать и как выбрать

Как устроена патч-антенна

Патч-антенна (микрополосковая антенна) — это металлическая площадка на одной стороне тонкой диэлектрической пластины и сплошной металлический слой — «земля» — на другой. Площадка длиной около половины длины волны в диэлектрике работает как резонатор: излучают её края, между которыми по длине укладывается полуволна. Земля отражает излучение вперёд, поэтому патч светит в полусферу перед собой, а назад почти не излучает.

Главное достоинство — плоская конструкция: антенну изготавливают тем же способом, что и печатную плату, встраивают в корпус устройства и объединяют в решётки из десятков элементов. В каталоге KADAMM — 29 моделей микрополосковых антенн: одиночные излучатели, решётки 2×2 и решётки высокого усиления.

Длина патча — по модели линии передачи с поправкой на краевые поля; ширина — около половины длины волны.

Расчёт размеров

Длина патча L определяет резонансную частоту: L ≈ c / (2f·√εэфф) минус поправка на краевое поле, где εэфф — эффективная диэлектрическая проницаемость, промежуточная между подложкой и воздухом. Ширину берут близкой к половине длины волны — от неё зависит входное сопротивление и полоса. В таблице — длина патча, рассчитанная по модели линии передачи для двух распространённых подложек.

Чем выше проницаемость подложки, тем меньше патч, но тем уже полоса и ниже КПД. Поэтому для антенн с хорошими характеристиками берут подложки с низкой проницаемостью и малыми потерями, а стеклотекстолит — для дешёвых встроенных антенн, где размер важнее. Расчёт даёт стартовую точку: окончательный размер подбирают по измерениям КСВН, потому что проницаемость реальной подложки отличается от паспортной.

Материалы подложки

Толщина подложки — второй рычаг: толстая пластина расширяет полосу и повышает КПД, но на высоких частотах начинает возбуждать поверхностные волны, которые уходят вдоль платы и портят диаграмму. Поэтому толщину выбирают в пределах нескольких процентов длины волны.

Способы питания

• Коаксиальный штырь снизу через землю — просто и компактно; точку подключения смещают от центра для согласования.
• Микрополосковая линия на той же стороне платы — удобно для решёток: питание и излучатели печатаются вместе.
• Линия с вырезом-вставкой в патч — позволяет подобрать входное сопротивление 50 Ом без трансформатора.
• Связь через щель в земле — питающая линия на другом слое; полоса шире, а излучение линии не мешает патчу.

Входное сопротивление патча на краю — сотни ом, в центре — ноль. Точку питания выбирают между ними, там, где сопротивление близко к 50 Ом; её подбирают на макете по минимуму КСВН.

Усиление: один патч или решётка

Одиночный патч даёт 6–8 дБи при широком луче около 60–90°. Чтобы получить больше, патчи объединяют в решётку: каждое удвоение числа элементов прибавляет около 3 дБ и вдвое сужает луч в соответствующей плоскости. Решётка 2×2 даёт порядка 12 дБи, решётки из десятков элементов — 20–30 дБи и больше. Сигнал к элементам разводят печатной линией на той же плате или отдельным слоем.

У решёток высокого усиления луч узкий — единицы градусов: такую антенну нужно точно направлять, зато она заменяет параболическую антенну там, где важна плоская форма.

Фазированные решётки

Если к каждому элементу решётки подвести сигнал со своей фазой, луч можно отклонять без поворота антенны. На этом построены фазированные антенные решётки радиолокаторов и базовых станций 5G: фазовращатель или цифровая обработка задают сдвиг, и луч следует за целью или абонентом. Патчи удобны для таких решёток — они плоские, одинаковые и печатаются на одной плате с цепями питания.

Расстояние между элементами решётки берут около половины длины волны. Если его увеличить, в диаграмме появляются дополнительные главные лепестки; если уменьшить — растёт взаимное влияние элементов, и согласование ухудшается.

Полоса частот

Слабое место патча — узкая полоса: у одиночного излучателя на тонкой подложке это всего несколько процентов от центральной частоты. Расширяют её толстой подложкой с низкой проницаемостью, воздушным зазором, дополнительным паразитным патчем над основным или питанием через щель в земле. Если нужна полоса в октаву и больше, выбирают не патч, а спиральную, логопериодическую антенну или антенну Вивальди.

Как проверить полосу по паспорту

В характеристиках антенны полосу указывают по уровню КСВН, обычно не хуже 2. Если в паспорте дана только центральная частота, запросите полосу отдельно: для патча на тонкой подложке она может быть уже, чем полоса вашего канала, и тогда края канала придут с потерями на отражение.

Поляризация

Прямоугольный патч с одной точкой питания излучает линейную поляризацию. Для круговой — её используют навигационные антенны и спутниковая связь — у квадратного патча срезают противоположные углы или питают его в двух точках со сдвигом фазы 90°. Качество круговой поляризации оценивают коэффициентом эллиптичности: чем он ближе к 0 дБ, тем лучше.

Где применяют

• Антенны GPS/ГЛОНАСС — керамический патч с круговой поляризацией.
• Направленные антенны Wi-Fi 2,4 и 5 ГГц и видеосвязи 5,8 ГГц.
• Радиолокационные датчики и системы связи с фазированными решётками.
• Бортовые антенны: плоский корпус не портит аэродинамику.
• Лабораторные макеты и элементы измерительных решёток.

Керамические патчи для навигации

Антенна GPS/ГЛОНАСС в автомобиле или трекере — чаще всего керамический патч размером 25×25 мм и меньше с круговой поляризацией. Высокая проницаемость керамики уменьшает размер, а малошумящий усилитель в том же корпусе компенсирует потери кабеля. Размер земли под патчем влияет на диаграмму: на маленькой плате антенна хуже принимает спутники у горизонта.

КПД и потери

Часть подведённой мощности теряется в диэлектрике и металле, часть уходит поверхностной волной. У хорошего патча на фторопласте КПД 80–90 %, на стеклотекстолите на высоких частотах — заметно ниже. В решётках к этому добавляются потери в разводке питания: у решёток из сотен элементов они становятся главным ограничением усиления, и питание делают волноводным или многослойным.

Патч-антенна для 5,8 и 2,4 ГГц

Для видеосвязи и передачи данных на 5,8 ГГц и Wi-Fi 2,4 ГГц патч-антенны популярны за направленность и компактность. Одиночный патч даёт сектор около 60–80° — удобно, если приёмник примерно знает, где передатчик. Для дальних связей берут решётку с узким лучом; для подвижных объектов — антенну с круговой поляризацией, чтобы связь не пропадала при наклоне.

Патч, панель или рупор

Проверка

Готовую антенну проверяют по КСВН в рабочей полосе и по диаграмме направленности. Для патча важно измерять в том корпусе и на той плате, где он будет работать: соседние детали, пластик и размер земли сдвигают резонанс на проценты — а полоса патча того же порядка. Для антенн с круговой поляризацией дополнительно измеряют эллиптичность в пределах луча.

Монтаж

Перед излучающей стороной не должно быть металла и материалов с высокой проницаемостью — они сдвигают частоту. Защитный колпак из пластика тоже влияет на настройку, поэтому антенну настраивают вместе с ним. Кабель подводят к разъёму сзади, не пересекая апертуру.

Что уточнить перед выбором

• Центральную частоту и нужную полосу.
• Требуемое усиление и ширину луча.
• Поляризацию: линейная или круговая, правая или левая.
• Разъём и способ крепления.
• Будет ли антенна под защитным колпаком.
• Условия: помещение, улица, борт; температура и влажность.
• Нужна ли решётка с управлением лучом или достаточно фиксированного луча.

Модели KADAMM

Все серии — в разделе «Спиральные, патч, линзовые и волноводно-щелевые антенны».

KADAMM · АМП-О

патч-антенны: одиночные

Частоты	1 – 8,4 ГГц
Моделей	5

Перейти к товару →

KADAMM · АМП-4

патч-антенны: четырёхэлементные (2×2)

Частоты	1,5 – 28 ГГц
Моделей	10

Перейти к товару →

KADAMM · АМП-Р

патч-антенны: решётки высокого усиления

Частоты	1,3 – 27 ГГц
Моделей	14

Перейти к товару →