Mètodes d'alimentació d'antenes de microstrip: tipus i selecció

Què és una alimentació d'antena de microstrip?

Una alimentació connecta la font o receptor de RF al pegat radiant mentre transforma la impedància del sistema a la impedància d'entrada de l'antena. En un disseny pràctic, l'alimentació forma part de l'antena en lloc d'un detall separat. La seva geometria canvia la distribució del corrent, la freqüència ressonant, la pèrdua de retorn, l'amplada de banda utilitzable i la radiació no desitjada.

Les alimentacions d'antenes de microstrip es divideixen habitualment en mètodes de contacte directe i mètodes d'acoblament electromagnètic. Les alimentacions de línia de microstrip i de sonda coaxial fan contacte elèctric directe amb el pegat. Les alimentacions acoblades per obertura i per proximitat transfereixen energia mitjançant l'acoblament electromagnètic i normalment utilitzen més d'una capa de substrat.

Quatre mètodes principals d'alimentació d'antenes de microstrip

1. Alimentació de línia de microstrip

En una alimentació de línia de microstrip, una línia de transmissió impresa es connecta directament al pegat. La línia i el pegat es poden fabricar sobre el mateix substrat en un sol procés de PCB, cosa que fa que aquest mètode sigui senzill, de baix perfil i adequat per a la producció de baix cost i moltes matrius impreses.

L'adaptació d'impedància es pot ajustar canviant l'amplada de la línia d'alimentació, utilitzant un insert, afegint un transformador de quart d'ona o optimitzant la unió entre la línia i el pegat. La principal limitació és que la línia d'alimentació també irradia. Aquesta radiació espúria pot afectar la polarització creuada i el patró de radiació, especialment quan el substrat és relativament gruixut o la xarxa d'alimentació és llarga.

2. Alimentació de la sonda coaxial

Una sonda coaxial passa a través del pla de terra i el substrat. El conductor coaxial exterior està connectat al pla de terra, mentre que el conductor interior està connectat al pegat. Moure la posició de la sonda proporciona una manera convenient de seleccionar la resistència d'entrada desitjada sense imprimir una línia d'alimentació a la superfície radiant.

Aquest mètode ofereix una col·locació flexible del punt d'alimentació i generalment una baixa radiació de la línia d'alimentació, però requereix perforacions i una connexió elèctrica fiable. Una sonda llarga introdueix inductància, de manera que el rendiment es pot deteriorar amb substrats elèctricament gruixuts o a freqüències més altes. Per tant, la geometria del connector, el volum de soldadura i la tolerància de fabricació s'han d'incloure en el model final.

3. Alimentació acoblada per obertura

Una alimentació acoblada per obertura situa la línia de transmissió per sota d'un pla de terra i el pegat per sobre. L'energia passa a través d'una ranura al pla de terra. Com que el pla de terra separa la xarxa d'alimentació del pegat radiant, aquesta disposició proporciona un bon aïllament entre l'alimentació i el radiador i pot reduir la radiació d'alimentació no desitjada.

Les dimensions de la ranura, la posició de la ranura, el tall de la línia d'alimentació, el gruix del substrat i les constants dielèctriques afecten l'acoblament i la coincidència. L'acoblament d'obertura pot suportar un ample de banda més ampli que moltes alimentacions directes, però requereix una estructura multicapa i una alineació precisa entre la línia, la ranura i el pegat.

4. Alimentació acoblada per proximitat

En una alimentació acoblada per proximitat, també anomenada alimentació acoblada electromagnèticament, la línia de microstrip es col·loca sota el pegat i se'n separa per una capa dielèctrica. La línia se superposa a part del pegat i l'energia es transfereix a través del camp electromagnètic. No hi ha cap connexió elèctrica directa ni cap ranura al pla de terra.

La longitud de superposició, la posició de la línia, les propietats del substrat i el gruix de la capa controlen l'acoblament. Aquest mètode pot proporcionar una amplada de banda d'impedància àmplia i una baixa radiació espúria, però l'estructura de dues capes és més gruixuda i més sensible a les toleràncies d'alineació i enllaç.

Comparació dels mètodes d'alimentació d'antenes de microstrip

Mètode d'alimentació	Potencial típic d'amplada de banda	Fabricació	Radiació / aïllament d'alimentació	El més adequat per a
Línia de microstrip	Estret a moderat	PCB simple i d'una sola capa	Més radiació a la línia d'alimentació	Dissenys i matrius impreses de baix perfil i baix cost
Sonda coaxial	Estret a moderat	Perforació i connexió vertical	Baixa radiació de la línia d'alimentació	Ajust flexible del punt d'alimentació d'un sol element
Acoblat per obertura	De moderat a ample	Multicapa amb alineació de ranures	Bon aïllament d'alimentació	Dissenys que requereixen aïllament i un ample de banda més ampli
Acoblat per proximitat	Ampla	Multicapa amb alineació superposada	Baixa radiació espúria	Dissenys de banda ampla on s'accepta un gruix afegit

Aquestes són tendències de disseny relatives, no garanties de rendiment fixes. La forma del pegat, la pèrdua del substrat, la constant dielèctrica, el gruix, la freqüència, la longitud de la xarxa d'alimentació i la tolerància de fabricació poden canviar el resultat.

Com seleccionar el mètode d'alimentació adequat

• Ample de banda necessari:Les alimentacions directes sovint són suficients per a sistemes de banda estreta. L'acoblament d'obertura o de proximitat pot ser preferible quan un ample de banda d'impedància més ampli és un requisit principal.
• Nombre de perfils i capes:Una alimentació de línia de microstrip manté l'estructura prima i fàcil de fabricar. Les alimentacions acoblades requereixen capes addicionals i alineació.
• Puresa de la radiació:Si la radiació de la xarxa d'alimentació o l'aïllament de front a darrere és crític, una estructura acoblada per obertura pot separar l'alimentació del pegat.
• Integració de matrius:Les xarxes de microstrip impreses són convenients per a les matrius, però la pèrdua de línia i la radiació parasitària augmenten a mesura que la xarxa es fa més llarga. El disseny de l'alimentació corporativa i la tolerància d'amplitud/fase s'han d'avaluar conjuntament.
• Freqüència i tolerància:A freqüències d'ones mil·limètriques, les transicions dels connectors, la tolerància al gravat, el gruix del substrat i els errors de registre esdevenen elèctricament significatius.
• Límits de potència i tèrmics:Cal comprovar la pèrdua del conductor, l'escalfament dielèctric, la densitat de corrent del connector i la concentració de camp local per al nivell de potència previst.
• Cost i repetibilitat:El disseny amb el millor ample de banda simulat pot no ser la millor opció de producció si requereix una unió difícil o un alineament multicapa ajustat.

Com triar un punt d'alimentació de sonda coaxial

La posició correcta de la sonda és la ubicació que presenta la impedància d'entrada objectiu mentre excita el mode previst amb una polarització creuada acceptable. No s'ha de seleccionar automàticament al centre del pegat, al punt de camp elèctric màxim o al punt de corrent màxim.

Per a un pegat rectangular convencional que funciona en el seu mode fonamental, la resistència d'entrada és generalment alta prop d'una vora radiant i disminueix a mesura que l'alimentació es mou cap al centre al llarg de la dimensió ressonant. Normalment es troba un punt de 50 ohms entre la vora i el centre. La posició exacta depèn de les dimensions del pegat, les propietats del substrat, el diàmetre de la sonda, el pla de terra, el connector i les estructures properes.

1. Comenceu amb les dimensions del pegat per a la freqüència ressonant i la polarització requerides.
2. Col·loqueu la sonda en una línia de simetria adequada per ajudar a excitar el mode desitjat i limitar els camps de polarització creuada.
3. Escombra el desplaçament des de la vora radiant en un model electromagnètic d'ona completa fins que s'assoleixi la impedància i la pèrdua de retorn objectiu.
4. Incloeu la transició coaxial, la inductància de la sonda, el pad de soldadura, el pla de terra finit, la carcassa i el radome quan formen part del muntatge final.
5. Construir un model de tolerància per al gruix del substrat, la constant dielèctrica, el gravat i l'error de posició d'alimentació.
6. Valideu l'antena fabricada amb un analitzador de xarxes vectorials calibrat i ajusteu-la només després de comparar els plans de referència de mesura i simulació.

Comprovacions de disseny i mesurament

L'optimització de l'alimentació s'ha de verificar amb més d'un valor del paràmetre S. Una revisió completa normalment inclou:

• Freqüència ressonant, S11, pèrdua de retorn, VSWR i amplada de banda d'impedància.
• Impedància d'entrada real i imaginària a la banda de funcionament.
• Eficiència total, guany realitzat i pèrdua conductor/dielèctrica.
• Patrons de radiació copolaritzats i polaritzats creuats en els plans principals.
• Relació frontal-posterior, lòbuls laterals i distorsió del patró causada per l'alimentació o el connector.
• Distribució del corrent i evidència de modes d'ona superficial o d'ordre superior no intencionats.
• Rendiment sota les condicions previstes de temperatura, radom, carcassa, enrutament de cables i instal·lació.

Aplicacions

Les antenes i matrius de microstrip s'utilitzen en terminals de comunicació sense fil, equips de satèl·lit i navegació, sensors de radar, telemetria, plataformes aeroespacials, sistemes de prova i productes de RF compactes integrats. L'arquitectura d'alimentació s'ha de seleccionar per als requisits reals del sistema: una alimentació impresa simple pot ser ideal per a una unitat compacta de banda estreta, mentre que una alimentació acoblada pot estar justificada per a un ample de banda més ampli o un aïllament més fort.

Preguntes freqüents

Quin és el mètode d'alimentació d'antenes microstrip més senzill?

L'alimentació de línia de microstrip sol ser la més senzilla perquè la línia i el pegat es poden imprimir al mateix substrat. És fàcil d'integrar amb una xarxa d'alimentació planar, tot i que cal controlar la radiació de la línia d'alimentació.

Quin mètode d'alimentació proporciona l'ample de banda més ampli?

Els sistemes d'alimentació acoblats per proximitat i obertura generalment ofereixen un major potencial d'amplada de banda que els sistemes d'alimentació directa bàsics. L'amplada de banda real encara depèn de la geometria completa de l'antena i de la pila de substrats.

Quina font d'alimentació ofereix el millor aïllament de la zona radiant?

L'acoblament d'obertura proporciona un fort aïllament estructural perquè un pla de terra separa la línia d'alimentació del pegat. Encara cal avaluar les fuites de ranura i la radiació inversa.

El punt d'alimentació canvia la freqüència de ressonància?

El seu propòsit principal és l'adaptació d'impedància, però la sonda o línia també pertorba els camps electromagnètics. Sondes grans, sondes llargues, un acoblament fort o una alimentació a prop d'una regió de camp sensible poden canviar la ressonància, així com la impedància d'entrada.

Quina diferència hi ha entre l'alimentació i l'adaptació d'impedància?

L'alimentació descriu com es lliura l'energia de radiofreqüència (RF) al pegat. L'adaptació d'impedància és el procés de fer que l'entrada de l'antena sigui compatible amb la línia de transmissió, normalment de 50 ohms. La posició i la geometria de l'alimentació són variables d'adaptació importants, però també es poden utilitzar transformadors addicionals, insercions, stubs o xarxes d'adaptació.

Conclusió

La selecció d'una alimentació d'antena microstrip és una decisió a nivell de sistema. Les alimentacions de línia microstrip i sonda coaxial afavoreixen la simplicitat i l'afinació directa, mentre que l'acoblament d'obertura i proximitat ofereix un aïllament més fort o un ample de banda més ampli a costa de capes addicionals i un control de fabricació més estricte. El rendiment final sempre s'ha de confirmar amb simulació d'ona completa, anàlisi de tolerància i mesurament calibrat.

Recomanacions de productes d'antena de microstrip

Explora RF MISOproductes d'antena de microstripa sota, ocontacteu amb el nostre equip d'enginyeriaper discutir el rang de freqüències, el guany, la polarització, la interfície i els requisits d'integració.