Рис. 12.4.7.
Из-за наличия рефлектора ДН патч-антенны имеет выраженную направленность. Главный лепесток перпендикулярен рефлектору.
Большой (со стороной несколько l) рефлектор почти полностью исключает излучение назад. К такому случаю относятся ДН на рис. 12.4.3 и график рис 12.4.7 (на обоих этих рисунках экраном является бесконечная идеальная земля).
Но на практике обычно применяются небольшие экраны, лишь немного больше самого патча. Поэтому в ДН появляются задние и боковые лепестки. Они отбирают часть мощности, поэтому усиление при небольших экранах усиление падает на 1 …2 дБ.
В файле …Patch_screen_H.gaa показан патч с размерами рис. 12.4.3 (53 х 53 мм) с очень маленьким экраном, всего 67 х 67 мм (т.е. лишь чуть больше l/2). Объемная ДН и ее вертикальный и горизонтальный срезы для этой антенны показаны на рис. 12.4.7. Антенна стоит вертикально, максимум излучения направлен вдоль оси Х. Из-за маленького экрана F/B только 10 дБ, а усиление снижается до 8,5 dBi (чась энергии бесполезно тратится на излучение назад).
Антенна рис. 12.4.7 питается в середину вертикальной стороны, поэтому излучает с горизонтальной поляризацией. Основное излучение дают синфазные токи вдоль сторон патча, соседних с питаемой (см. рис. 12.4.2). Иначе говоря, антенна рис. 12.4.7 близка к стеку из двух горизонтальных двухэлементных антенн Уда-Яги с рефлекторами.
Если антенну рис. 12.4.7 повернуть на 900 относительно оси Х (т.е. переместить питающую перемычку в середину горизонтальной стороны патча), то антенна будет излучать с вертикальной поляризацией.
Полуволновую квадратную патч-антенну можно запитать так, чтобы она излучала с круговой поляризацией (п. 1.2.2.3). Наиболее очевидным представляется вариант способа питания рис. 1.2.18: две точки питания со сдвигом фаз между ними 900 по бокам квадрата. Для этого требуются делитель мощности и фазосдвигающая цепь. Это решение используется при микрополосковой технологии, где и патч, и фазовращатель, и делитель выполняются в виде печатных проводников.
Другой вариант получения круговой поляризации основан на методе, показанном на рис. 12.2.15: взять две узкополосные антенны и настроить одну из них ниже рабочей частоты, а вторую выше. Так, чтобы фазовый сдвиг тока на ненулевых и разных по знаку реактивных частях входных импедансов давал бы требуемые 900.
Но у нас-то антенна одна? Да, антенна одна, но имеет протяженность по двум осям. Поэтому по ней могут одновременно течь и продольные, и поперечные токи. В этом смысле патч представляет собой как бы две параллельно соединенные антенны. А как настроить эти две антенны на разные частоты? Да так же, как и обычно. Одну (по которой текут продольные токи) удлинить, вторую (по которой текут поперечные токи) – укоротить. Иными словами, ввести асимметрию продольной и поперечной сторон, например, вместо квадрата, сделать прямоугольник. Такой патч имеет две резонансные частоты (на длинной, и на короткой сторонах). Что и требуется для антенны круговой поляризации, возбуждаемой по методу рис. 12.2.15.
А две точки питания проще всего свести вместе, сдвинув их навстречу друг другу, в угол прямоугольника. Такая антенна с круговой поляризацией показана в файле …Patch_circular.gaa и на рис. 12.4.8. Размеры пластины 51 х 48 мм.
Распределение тока на рис. 12.4.8 показывает, что пластина патча возбуждена одновременно по двум направлениям (и по оси X, и по оси Y одинаковые, но взаимно перпендикулярные синусоидальные распределения), что и требуется для круговой поляризации.
Чтобы получить такое распределение относительная (в %) разница длин сторон прямоугольника должна быть примерно в 1,5 раза больше относительной высоты ( в % l пластины над экраном.
Пример. В файле …Patch_circular.gaa высота пластины 5,5 мм, т.е. 4,3% длины волны. Умножая 4,5 % на 1,5 получаем 6,7%. Значит, относительная разница сторон прямоугольника должна быть 6,7%. Проверяем: (51 – 48)/48 = 6,3% – хорошее совпадение.
На рис. 12.4.9 показана зависимость входного импеданса от частоты антенны рис. 12.4.8. Отчетливо видны два пика резонанса (продольный и поперечный), разнесенные по частоте на величину чуть большую полосы пропускания. Рабочая полоса антенны лежит между ними.
В этой полосе импеданс получается довольно высоким и с положительной реактивной составляющей. Здесь, в отличие от рис. 12.4.5 мы не можем уйти вверх по частоте (для снижения Ra и компенсации +jX). По примененному принципу получения круговой поляризации мы должны быть между резонансами патча и недалеко от обоих. Поэтому для согласования обычно сдвигают питающую перемычку из угла в направлении центра патча.
Итак, чтобы сделать патч круговой поляризации по вышеприведенному принципу в пластину надо ввести асимметрию. Сделать путь продольных и поперечных токов разной электрической длины. Выше рассмотрен наиболее очевидный способ – прямоугольный патч. Но кроме него придумано немало других форм, реализующих этот принцип. Например, в квадратных патчах прорезаются щели, или отрезаются углы.
На рис. 12.4.10 и в файле …Patch_circular2.gaa показана квадратная патч-антенна круговой поляризации. Срезание двух углов квадрата позволяет возбудить его в продольном и поперечном направлениях и обеспечить требуемый для круговой поляризации фазовый сдвиг между токами этих направлений. Согласование достигнуто сдвигом точки питания на 16 мм вглубь пластины.
Распределение токов по антенне рис 12.4.10 показано на рис. 12.4.11. Признаюсь, особой необходимости в этом рисунке не было. Но, во-первых, он красив. Во-вторых, полезен: синусоидальное распределение вдоль тонкого провода мы раньше видели уже много раз, а вот распределение токов по поверхности – только в этом параграфе.
Следует заметить, что замена сплошной поверхности металлической
сеткой в модели на узкополосных антеннах (а полоса патча мала, единицы
%) дает ощутимую (несколько %) погрешность в определении резонансной
частоты.
На широкополосных антеннах (например, зеркальных) такой
проблемы нет. А для узкополосных разная емкость на землю сплошной
поверхности и сетки дает разную реактивность, и соответственно, другую
резонансную частоту.
Поэтому применяя движки MININEC, NEC2 метода
моментов для моделирования патч антенн надо иметь в виду невысокую
точность определения резонанса (остальные параметры будут в порядке).
Для более точных вычислений поверхностей следует применять FEM
(аббревиатура от англ. Finite element method – метод конечных
элементов), и программы на его основе, например, HFSS.