Патч-антенна¶

Патч-антенна — это тип плоской антенны, выполненной в виде металлической пластины (излучающего элемента, или патча) определённой формы, расположенной на диэлектрической подложке над проводящим экраном (земляной плоскостью). Относится к классу микрополосковых антенн и широко применяется в системах связи, радиолокации и навигации благодаря низкому профилю, простоте изготовления и возможности интеграции в печатные платы.

¶История

Первые теоретические работы по микрополосковым антеннам, включая патч-антенны, были опубликованы в 1950-х годах. Однако практическое развитие началось в 1970-х годах с появлением высококачественных диэлектрических материалов для печатных плат и методов фотолитографии. В 1972 году американский инженер Роберт Мансон (Robert Munson) предложил конструкцию патч-антенны, пригодную для массового производства. С тех пор технология совершенствовалась: разрабатывались новые формы патчей (прямоугольные, круглые, треугольные), методы широкополосного согласования и способы создания антенных решёток.

¶Устройство и принцип работы

¶Конструкция

Патч-антенна состоит из трёх основных элементов:

• Излучающий патч — тонкая металлическая пластина (обычно медная или алюминиевая) прямоугольной, круглой, эллиптической или иной формы. Толщина патча составляет десятки микрометров.
• Диэлектрическая подложка — слой изоляционного материала (например, FR-4, Rogers, керамика, полиимид) с определённой диэлектрической проницаемостью (εr) и толщиной (h). Подложка определяет электрические характеристики и механическую прочность.
• Земляная плоскость — сплошной металлический слой на нижней стороне подложки, выполняющий роль отражателя и экрана.

Питание патча осуществляется через коаксиальный кабель (штыревой контакт) или микрополосковую линию, соединённую с патчем в точке, согласованной по импедансу (обычно 50 Ом).

¶Принцип излучения

Патч-антенна работает как резонатор. При подаче высокочастотного сигнала на патче возникает стоячая волна тока. Излучение происходит за счёт полей, возникающих между краями патча и земляной плоскостью. Основная мода колебаний — TM10 (для прямоугольного патча), при которой вдоль длины патча укладывается половина длины волны в диэлектрике. Частота резонанса определяется размерами патча, диэлектрической проницаемостью подложки и её толщиной.

¶Диаграмма направленности

В режиме основной моды патч-антенна излучает преимущественно в направлении, перпендикулярном плоскости патча (нормальное излучение). Ширина диаграммы направленности в главных плоскостях (E- и H-плоскости) обычно составляет от 60° до 90°. Заднее излучение ослаблено благодаря земляной плоскости. Коэффициент усиления типичной одиночной патч-антенны — от 3 до 7 дБи.

¶Классификация

Патч-антенны классифицируют по нескольким признакам:

¶По форме излучателя

• Прямоугольные — наиболее распространённый тип, прост в расчёте и изготовлении.
• Круглые — обеспечивают круговую поляризацию при специальном возбуждении.
• Треугольные — компактнее прямоугольных на той же частоте.
• Кольцевые — используются для широкополосных или двухчастотных решений.
• Фрактальные — патчи сложной формы для миниатюризации и многодиапазонности.

¶По типу поляризации

• Линейная поляризация — стандартный режим для прямоугольных патчей.
• Круговая поляризация — достигается возбуждением двух ортогональных мод со сдвигом фазы 90° (например, с помощью щелевого питания или двух точек запитки).

¶По способу питания

• Коаксиальное питание — центральная жила кабеля припаивается к патчу, оплётка — к земляной плоскости.
• Микрополосковое питание — линия передачи на той же подложке соединяется с краем патча.
• Щелевое (апертурное) питание — патч возбуждается через щель в земляной плоскости, что улучшает широкополосность.
• Электромагнитная связь — питание через близко расположенную микрополосковую линию без гальванического контакта.

¶По количеству частотных диапазонов

• Однодиапазонные — работают на одной резонансной частоте.
• Многодиапазонные — имеют несколько резонансов (например, за счёт прорезей, дополнительных патчей или слоёв).

¶Характеристики

Основные параметры, определяющие качество патч-антенны:

• Рабочая частота (f0) — центральная частота, на которой антенна согласована. Зависит от размеров патча и свойств подложки.
• Полоса пропускания — диапазон частот, в котором коэффициент стоячей волны (КСВ) не превышает 2:1. Для типичных патч-антенн составляет 1–5% от f0. Узкая полоса — главный недостаток.
• Коэффициент усиления (G) — отношение мощности излучения в главном направлении к изотропному излучателю. Обычно 3–7 дБи.
• Входное сопротивление — стандартно 50 Ом, но может варьироваться в зависимости от точки питания.
• Кросс-поляризация — уровень излучения нежелательной поляризации (обычно менее −20 дБ).

¶Применение

Патч-антенны нашли широкое применение в различных областях:

• Сотовая связь — антенны базовых станций (особенно в составе антенных решёток для MIMO) и встроенные антенны мобильных устройств.
• Wi-Fi и Bluetooth — компактные антенны для роутеров, ноутбуков, смартфонов, устройств интернета вещей (IoT).
• Спутниковая навигация — приёмные антенны для GPS, ГЛОНАСС, Galileo (часто с круговой поляризацией).
• Радиолокация — антенные решётки для автомобильных радаров (24 ГГц, 77 ГГц), систем предупреждения столкновений.
• Авиация и космос — бортовые антенны для связи и навигации благодаря низкой массе и профилю.
• Медицина — антенны для беспроводной передачи данных от имплантируемых устройств.
• Военная техника — фазированные антенные решётки (ФАР) для радиолокации и связи.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Низкий профиль (толщина менее 1 см на частотах до 10 ГГц).
• Малая масса.
• Простота изготовления методами печатных плат.
• Возможность интеграции с активными компонентами (усилителями, фильтрами) на одной подложке.
• Легко создавать антенные решётки с заданной диаграммой направленности.

¶Недостатки

• Узкая полоса пропускания (обычно 1–5%).
• Низкий коэффициент усиления по сравнению с объёмными антеннами (например, рупорными или параболическими).
• Потери в диэлектрике подложки, особенно на высоких частотах.
• Чувствительность к точности изготовления (размеры патча должны быть выдержаны с высокой точностью).

¶Интересные факты

• Первая патч-антенна была запатентована в 1953 году, но широкое применение началось лишь спустя 20 лет из-за отсутствия дешёвых диэлектрических материалов.
• На частотах выше 30 ГГц (миллиметровый диапазон) патч-антенны часто изготавливают на керамических подложках с низкими потерями.
• В современных смартфонах используется до 10–15 патч-антенн для работы в разных диапазонах (4G, 5G, Wi-Fi, Bluetooth, GPS).
• Патч-антенны могут быть выполнены на гибких подложках (например, из полиимида), что позволяет размещать их на изогнутых поверхностях.

¶Источники

• Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design. — 4th ed. — Wiley, 2016.
• Milligan T. A. Modern Antenna Design. — 2nd ed. — Wiley, 2005.
• Гостюхин В. Л., Трусов В. Н. Микрополосковые антенны. — М.: Радио и связь, 1985.
• Kumar G., Ray K. P. Broadband Microstrip Antennas. — Artech House, 2003.
• Патент США US 3,921,177 (1975) — Microstrip antenna structure.