Что такое патч-антенна? - коротко
Патч‑антенна — плоская излучающая структура, представляющая собой металлическую площадку, расположенную над диэлектрической подложкой и питаемую микрополосковой линией. Она обеспечивает направленную радиацию в узком частотном диапазоне и широко применяется в мобильных устройствах, спутниковой связи и беспроводных сетях.
Что такое патч-антенна? - развернуто
Патч‑антенна — это плоская радиочастотная антенна, изготовленная на печатной плате (PCB) и предназначенная для излучения и приёма электромагнитных волн в заданных частотных диапазонах. Она представляет собой комбинацию радиационного элемента (обычно микрополоскового или слотового), подложки, линии питания и заземляющей плоскости. Благодаря своей тонкой конструкции и небольшим габаритам патч‑антенна легко интегрируется в корпус любого электронного устройства.
Конструкция патч‑антенны включает несколько ключевых компонентов. Радиатор формируется из медного слоя, размещённого на диэлектрической подложке, такой как FR‑4, Rogers или специализированные материалы с низким коэффициентом потерь. Линия питания (трансферная линия) соединяет радиатор с источником сигнала и обычно реализуется в виде микрополосковой линии, коаксиального привода или балуна. Заземляющая плоскость, размещённая под подложкой, служит зеркалом, усиливающим излучение в нужном направлении и обеспечивающим стабильную импедансную характеристику.
Принцип работы основан на резонансе микрополосковой структуры, когда длина радиатора приближённо равна половине длины волны в среде подложки. При этом происходит эффективное преобразование электрической энергии в радиоволны, выстреливая их в пространстве преимущественно в сторону, противоположную заземляющей плоскости. Поляризация сигнала определяется ориентацией радиатора и может быть линейной, круговой или любой иной, в зависимости от требуемой задачи.
Преимущества патч‑антенн:
- Компактность — толщина обычно не превышает несколько миллиметров, что позволяет размещать их в ограниченном пространстве.
- Низкая профильность — плоская форма не мешает дизайну корпуса и не создает выступающих элементов.
- Лёгкость массового производства — использование стандартных технологий фотолитографии упрощает изготовление больших серий.
- Стоимость — материалы и процесс изготовления относительно недорогие, что снижает общую цену устройства.
- Гибкость в настройке параметров — изменяя геометрию радиатора, толщину подложки или тип диэлектрика, можно точно регулировать частотный диапазон, поляризацию и ширину полосы пропускания.
Ограничения патч‑антенн включают более низкую направленность и коэффициент усиления по сравнению с более крупными решениями (например, параболическими антеннами), а также чувствительность к изменениям окружающей среды (близость металлических объектов, изменение температуры) — это может влиять на согласование импеданса и форму диаграммы направленности.
Типичные области применения:
- Wi‑Fi роутеры и точки доступа;
- Сотовые модемы и смартфоны (частоты 2,4 ГГц, 5 ГГц, 3,5 ГГц);
- Устройства интернета вещей (IoT), где важна экономия места;
- Автомобильные системы связи и навигации;
- Спутниковые приёмники малой мощности;
- Радиочастотные идентификационные метки (RFID) и системы слежения.
При проектировании патч‑антенны необходимо учитывать ряд факторов:
- Рабочая частота — определяет размер радиатора и свойства подложки.
- Поляризация — выбирается в зависимости от требований к связи.
- Импедансное согласование — достигается подбором ширины линии питания и её расположения относительно радиатора.
- Условия эксплуатации — температурные диапазоны, влажность, наличие внешних отражающих поверхностей.
- Требуемый коэффициент усиления и ширина диаграммы направленности — влияют на форму и размер радиатора.
Таким образом, патч‑антенна представляет собой эффективное решение для современных беспроводных систем, где важны компактность, низкая стоимость и возможность интеграции в печатные платы без существенного изменения конструкции устройства.