Uma antena ou antena em engenharia de rádio é um equipamento especializado transdutor , projetado por um conjunto de condutores que são conectados eletricamente ao transmissor ou receptor. A principal função de uma antena é transmitir e receber ondas de rádio igualmente em todas as direções horizontais. As antenas estão disponíveis em diferentes tipos e formatos. As pequenas antenas podem ser encontradas no telhado das casas para assistir TV e as grandes antenas captam sinais de diferentes satélites que estão a milhões de quilômetros de distância. As antenas se movem verticalmente e horizontalmente para capturar e transmitir o sinal. Há diferentes tipos de antenas disponíveis como abertura, fio, lente, refletor, microfita, registro periódico, matriz e muito mais. Este artigo discute uma visão geral antena de microfita .
Definição de antena microfita
Uma antena moldada simplesmente gravando um pedaço de material condutor acima de uma superfície dielétrica é chamada de antena de microfita ou antena patch. No plano de terra desta antena microfita é montado o material dielétrico, onde este plano suporta toda a estrutura. Além disso, a excitação desta antena pode ser fornecida por linhas de alimentação conectadas ao patch. Geralmente, essas antenas são consideradas antenas de baixo perfil usadas em aplicações de frequência de micro-ondas com frequência acima de 100 MHz.
A microfaixa/patch da antena pode ser selecionada para ser retangular, quadrada, elíptica e circular para facilitar a análise e a fabricação. Algumas antenas de microfita não utilizam substrato dielétrico, mas são feitas com um remendo de metal montado em um plano de aterramento com espaçadores dielétricos; assim, a formação resultante é menos forte, mas a sua largura de banda é mais ampla.
Construção de antena microfita
O projeto da antena microfita pode ser feito com a ajuda de uma tira metálica extremamente fina, organizando-a em um plano de aterramento entre um material dielétrico. Aqui, o material dielétrico é um substrato utilizado para separar a tira do plano de terra. Uma vez que esta antena é excitada, as ondas geradas no dielétrico sofrem reflexões e a energia emitida pelas bordas do remendo de metal é muito baixa. Esses formatos de antena são identificados pelo formato do remendo metálico disposto no material dielétrico.
Geralmente, a tira/remendo e as linhas de alimentação são foto-gravadas na superfície do substrato. Existem diferentes formatos de antenas de microfita, como quadrada, dipolo, retangular, circular, elíptica e dipolo. Sabemos que os remendos podem ser formados em vários formatos, mas, devido à facilidade de fabricação, normalmente são utilizados remendos de formato circular, quadrado e retangular.
Antenas de microfita também podem ser formadas com um grupo de vários patches acima de um substrato dielétrico. Linhas de alimentação simples ou numerosas são utilizadas para fornecer excitação à antena de microfita. Portanto, a presença de matrizes de elementos de microfita proporciona melhor diretividade, alto ganho e maior alcance de transmissão com baixa interferência.
Funcionamento da antena Microstrip
Uma antena microfita funciona como; sempre que a corrente através de uma linha de alimentação chega à faixa da antena microfita, ondas eletromagnéticas são produzidas. Então essas ondas do patch começarão a irradiar do lado da largura. Contudo, quando a espessura da tira é muito pequena, as ondas produzidas no substrato serão refletidas através da borda da tira. A estrutura de tiras constante ao longo do comprimento não permite a emissão de radiação.
A baixa capacidade de radiação da antena microfita permite cobrir apenas transmissões de ondas em pequenas distâncias, como lojas, locais internos ou escritórios locais. Portanto, esta transmissão ineficiente de ondas não é aceitável numa localidade centralizada numa área muito grande. Normalmente, a cobertura hemisférica é fornecida por uma antena patch em um ângulo de 30⁰ – 180⁰ a uma distância da montagem.
Especificações da antena microstrip
As especificações da antena microstrip incluem o seguinte.
- Sua frequência de ressonância é 1,176 GHz.
- A faixa de frequência da antena microfita é de 2,26 GHz a 2,38 GHz.
- A constante dielétrica do substrato é 5,9.
- A altura do substrato dielétrico é 635um.
- O método de alimentação é uma alimentação de linha microstrip.
- A tangente de perda é 0,00 12.
- O condutor é prateado.
- A espessura do condutor é 25um.
- Sua largura de banda é de ± 10 GHz.
- Seu ganho está acima de 5dB.
- Sua relação axial está abaixo de 4dB.
- Sua perda de retorno é melhor que 15dB.
Tipos de antena microfita
Existem diferentes tipos de antenas microfita disponíveis, que são discutidos abaixo.
Antena de microfita
Esses tipos de antenas são antenas de baixo perfil, onde um remendo de metal é disposto no nível do solo através de um material dielétrico intermediário, compreendendo uma tira (ou) antena de remendo. Essas antenas são antenas de tamanho extremamente pequeno e com baixa radiação. Esta antena inclui um patch radiante em uma face de um substrato dielétrico e no outro lado possui um plano de terra.
Geralmente, o patch é feito com material condutor como ouro ou cobre. Esses tipos de antenas podem ser formados com um método microstrip simplesmente fabricando em uma PCB. Essas antenas são usadas em aplicações de frequência de micro-ondas com frequência superior a 100 MHz.
Antena dipolo microfita
A microfita antena dipolo é um condutor de microfita fino e é colocado na parte real do substrato e é totalmente coberto com metal em uma face conhecida como plano de aterramento. Essas antenas são usadas em dispositivos de comunicação digital, como computadores e nós para WLAN. A largura deste tipo de antena é pequena, podendo ser utilizada no ponto de entrada do sistema WLAN.
Antena de slot impressa
A antena de slot impressa desempenha um papel fundamental no aumento da largura de banda da antena com padrões de radiação em ambas as direções. A sensibilidade desta antena é baixa em comparação com as antenas normais. Estas antenas são necessárias ao longo de uma linha de alimentação que é disposta inversamente ao substrato e verticalmente ao eixo da ranhura fornecido acima do patch.
Antena de Onda Viajante Microstrip
As antenas de ondas viajantes Microstrip são projetadas principalmente com uma longa linha Microstrip com largura suficiente para suportar a conectividade TE. Esses tipos de antenas de microchip são projetados de tal forma que o feixe principal fica em qualquer rota, desde a lateral até o fogo final.
Métodos de alimentação de antena microstrip
A antena microstrip possui dois métodos de alimentação; alimentação com contato e alimentação sem contato, que são discutidas abaixo.
Entrando em contato com o feed
A energia no contato com a alimentação é fornecida diretamente ao elemento radiante. Portanto, isso pode ser feito com uma linha/microstrip coaxial. Este tipo de método de alimentação é novamente classificado em dois tipos; Alimentação microstrip e alimentação coaxial que são discutidas abaixo.
Alimentação de microfita
A alimentação de microfita é uma tira condutora com largura muito pequena que a largura do elemento radiante. A linha de alimentação proporciona uma gravação simples acima do substrato porque a tira tem dimensões mais finas. O benefício deste tipo de arranjo de alimentação é; que a alimentação pode ser gravada em cima de um substrato semelhante para oferecer uma estrutura plana. A linha de alimentação em direção à estrutura é fornecida no meio, no deslocamento ou na inserção. O objetivo principal do corte inserido no patch é combinar a impedância da linha de alimentação com o patch sem exigir qualquer elemento extra de correspondência.
Alimentação Coaxial
Este método de alimentação é o tipo usado com mais frequência e é um método de alimentação não planar onde o cabo coaxial z é usado para alimentar o patch. Este método de alimentação é dado à antena microfita de forma que o condutor interno seja conectado diretamente ao patch enquanto o condutor externo seja conectado ao plano de terra.
A impedância mudará com a diferença na disposição da alimentação coaxial. Uma vez que a linha de alimentação esteja conectada em qualquer lugar do patch, isso ajuda na correspondência de impedância. No entanto, a linha de alimentação que conecta todo o plano de aterramento é um pouco difícil porque será necessário fazer um furo no substrato. Este método de alimentação é muito simples de fabricar e possui menos radiação espúria. Porém, sua principal desvantagem é que ele está conectado a um conector plano de aterramento.
Feed sem contato
A energia é fornecida ao elemento radiante a partir da linha de alimentação com acoplamento eletromagnético. Esses métodos de alimentação estão disponíveis em três tipos; acoplamento de abertura, acoplamento de proximidade e alimentação de ramal.
Feed acoplado de abertura
A técnica de alimentação de abertura inclui dois substratos dielétricos, como o substrato dielétrico da antena, e um substrato dielétrico de alimentação que são divididos simplesmente por um plano de terra e possuem uma lacuna no meio. O remendo metálico está localizado acima do substrato da antena, enquanto o plano de terra está localizado em outra face do dielétrico da antena. Para fornecer isolamento, a linha de alimentação e o dielétrico de alimentação estão localizados no outro lado do plano de aterramento.
Esta técnica de alimentação proporciona uma excelente pureza de polarização que é inatingível por outras técnicas de alimentação. A alimentação de casal de abertura fornece alta largura de banda e é extremamente útil em aplicações onde não queremos utilizar fios de uma camada para outra. A principal desvantagem desta técnica de alimentação é que ela necessita de fabricação em múltiplas camadas.
Feed acoplado por proximidade
A alimentação acoplada por proximidade também é chamada de alimentação indireta onde o plano de terra não está presente. Em comparação com uma antena de alimentação acoplada à abertura, é muito simples de fabricar. Na face condutora da antena existe uma ranhura e o acoplamento é dado com uma linha de microfita.
Este método de alimentação fornece baixa radiação espúria e uma enorme largura de banda. A linha de alimentação neste método está localizada entre dois substratos dielétricos. A borda da linha de alimentação é disposta em algum ponto onde a impedância de entrada da antena microfita é de 50 ohms. Esta técnica de alimentação melhorou a eficiência da largura de banda em comparação com outros tipos de métodos. A principal desvantagem desta técnica é; que a fabricação multicamadas é possível e fornece baixa pureza de polarização.
Alimentação de Ramal
Na técnica de alimentação de ramal, uma tira condutora é conectada diretamente à borda do patch da microfita. Em comparação com o patch, a largura da tira condutora é menor. O principal benefício desta técnica de alimentação é; que a alimentação seja gravada em um substrato semelhante para dar uma estrutura plana.
Um corte inserido pode ser integrado ao patch para obter excelente correspondência de impedância sem a necessidade de qualquer elemento de correspondência extra. Isso pode ser conseguido controlando a posição de inserção adequadamente, caso contrário, podemos cortar a ranhura e gravá-la no remendo com um tamanho adequado. Além disso, esta técnica de alimentação é utilizada e chamada de técnica de alimentação de ramal.
Padrão de radiação da antena microstrip
A representação gráfica das propriedades de radiação da antena é conhecida como padrão de radiação, que explica como a antena emite energia para o espaço. A variação na potência como função do ângulo de chegada é monitorada no campo distante da antena.
O padrão de radiação da antena microfita é amplo e tem menos potência de radiação e BW de frequência estreita. O padrão de radiação da antena microfita é mostrado abaixo, com menor diretividade. Ao usar essas antenas, um conjunto pode ser formado para ter uma diretividade superior.
Características
O características da antena microstrip inclui o seguinte.
- O patch da antena microfita deve ser uma região condutora extremamente fina.
- Em comparação com um patch, o plano de terra deve ter dimensões extremamente grandes.
- A fotogravação no substrato é feita para construir o elemento radiante e as linhas de alimentação.
- Um substrato dielétrico espesso pela constante dielétrica na faixa de 2,2 a 12 oferece excelente desempenho de uma antena.
- Matrizes de elementos de microfita no design da antena de microfita oferecem diretividade superior.
- Antenas microstrip oferecem alta largura de feixe.
- Esta antena fornece fatores de qualidade extremamente altos porque um fator Q alto resulta em baixa eficiência e pequena largura de banda. Porém, isso pode ser compensado simplesmente aumentando a largura do substrato. No entanto, o aumento da largura além de um determinado limite causará uma perda desnecessária de potência.
Vantagens e desvantagens
O vantagens da antena microstrip inclui o seguinte.
- As antenas microstrip são muito pequenas.
- O peso dessas antenas é menor.
- O procedimento de fabricação fornecido por esta antena é simples.
- Sua instalação é muito fácil devido ao seu pequeno tamanho e volume.
- Oferece integração simples por outros dispositivos.
- Esta antena pode realizar operações de frequência dupla e tripla.
- Esses conjuntos de antenas podem ser construídos facilmente.
- Esta antena fornece uma grande robustez acima de superfícies fortes.
- É simples de fabricar, personalizar e modificar.
- Esta antena possui construção simples e de baixo custo.
- Nesta antena, a polarização linear e circular é alcançável.
- É apropriado para antenas de conjunto.
- É compatível com CIs de microondas monolíticos.
- A largura de banda pode ser expandida simplesmente melhorando a largura do material dielétrico.
O desvantagens das antenas microstrip inclui o seguinte.
- Esta antena oferece menos ganho.
- A eficiência deste tipo de antena é baixa devido às perdas dielétricas e do condutor.
- Esta antena possui uma alta faixa de radiação de polarização cruzada.
- A capacidade de manipulação de energia desta antena é baixa.
- Tem menos largura de banda de impedância.
- A estrutura desta antena irradia de alimentações e outros pontos de junção.
- Esta antena apresenta um desempenho extremamente sensível a fatores ecológicos.
- Essas antenas são mais propensas à radiação de alimentação forjada.
- Esta antena tem mais perdas condutoras e dielétricas.
Formulários
O usa ou aplicações de antenas microstrip inclui o seguinte.
- Antenas microstrip são aplicáveis em diferentes campos; em mísseis, satélites , naves espaciais, aeronaves, sistemas de comunicação sem fio, telefones celulares, sensoriamento remoto e radares.
- Essas antenas são usadas em comunicações sem fio. para mostrar compatibilidade com dispositivos portáteis, como telefones celulares e pagers.
- Estes são usados em mísseis como antenas de comunicação.
- Essas antenas possuem tamanho pequeno, por isso são utilizadas em aplicações de comunicação por microondas e satélite.
- GPS é um dos principais benefícios das antenas microfita porque facilita o rastreamento de veículos e fuzileiros navais.
- Eles são usados em phased array radares para lidar com tolerância de largura de banda igual a alguma porcentagem.
Como melhorar a largura de banda da antena Microstrip?
A largura de banda de uma antena microfita pode ser aumentada por diferentes técnicas, como aumentar a espessura do substrato com baixa constante dielétrica, corte de ranhura, alimentação da sonda através de corte de entalhes e diferentes formas de antena
Por que as antenas Microstrip irradiam?
As antenas patch de microfita irradiam principalmente devido aos campos de franja entre a borda do patch e o plano de terra.
Como aumentar o ganho da antena Microstrip?
O ganho da antena microstrip pode ser aumentado com um patch parasita e um espaço de ar entre o patch de alimentação e o plano de aterramento.
Assim, isso é uma visão geral da antena microstrip , funcionamento e suas aplicações. Esta antena é uma invenção bastante moderna que permite a integração conveniente de uma antena e outros circuitos de acionamento de um sistema de comunicação em um PCB comum (ou) um chip semicondutor. Eles são amplamente utilizados em uma ampla gama de sistemas de microondas atuais na faixa de gigahertz. Os principais benefícios desta antena são; formatos conformados, leves, de baixo custo e compatibilidade com CIs de micro-ondas monolíticos e híbridos. Aqui está uma pergunta para você: O que é um antena dipolo ?
