Tecnologia RF - Tutorial e tendenze di ricerca della tecnologia dell'antenna PCB ad alta frequenza

Le antenne PCB ad alta frequenza e gli array di antenne a microonde ad alta frequenza sono gli "occhi e le orecchie" di tutti i sistemi wireless. Secondo lo standard IEEE (145-1983), un'antenna può essere definita semplicemente come "un dispositivo per la trasmissione e la ricezione di onde radio". L'antenna funge da trasduttore tra il trasmettitore e lo spazio libero o tra il mezzo e il ricevitore. In senso lato, le antenne possono essere suddivise in tre categorie, vale a dire isotrope, omnidirezionali e direzionali. Un'antenna isotropica è un concetto ipotetico di guadagno unitario in tutte le direzioni. Serve come parametro di riferimento rispetto al quale vengono misurati gli elementi reali dell'antenna. Un'antenna omnidirezionale è l'implementazione più vicina di un'antenna isotropica con un guadagno quasi costante in un piano di riferimento (azimuto o elevazione) ed è ampiamente utilizzata nelle applicazioni broadcast. Le antenne direzionali, con il loro elevato guadagno direzionale e il loro modello di radiazione stretto (fascio), sono desiderabili per applicazioni come il rilevamento radio e il raggio (radar) e le comunicazioni punto-punto.

Nel 1830, Michael Faraday introdusse l'antenna ad anello come parte del suo esperimento per studiare l'accoppiamento dei campi elettrici e magnetici. Più tardi, Heinrich Hertz scoprì le onde elettromagnetiche e progettò antenne dipole. Nel 1901 Guglielmo Marconi inviò messaggi oltre l'Atlantico utilizzando più linee verticali dirette di terra. Questo è il primo utilizzo di un array di antenne a microonde. Maxwell scrisse la prima raccolta di articoli sulla teoria degli EM, postulati da Oersted, Faraday, Gauss e altri, e generalmente conosciuta come equazione di Maxwell. Secondo Maxwell, qualsiasi carica accelerante irradia, quindi un'antenna può essere definita come un dispositivo EM che controlla il flusso di una corrente variabile nel tempo. Questo produce radiazioni elettromagnetiche.

La struttura dell'antenna ad alta frequenza a microonde può essere considerata avere tre parti, vale a dire, il generatore elettromagnetico, la struttura di guida e la regione di transizione. I risultati della simulazione FEM (metodo a elementi finiti) dell'antenna a corno mostrano il flusso di energia RF nella parte corrispondente. Il generatore EM alimenta l'onda EM nella struttura di guida (l'ingresso al corno) e quindi la dirige verso l'area di transizione. La regione di transizione è un trasformatore abbinato che abbina l'impedenza del filo a 377 ohm (impedenza spazio libero). Le onde EM fuoriescono dalla regione di transizione nello spazio libero, causando così la radiazione dell'antenna. Anche se l'elenco dei tipi di antenne esistenti è troppo ampio per riassumere qui, molti di loro saranno selezionati e discussi in base alle loro applicazioni commerciali e militari.

Fondazioni per antenna a microonde ad alta frequenza

Parametri di qualificazione dell'antenna (AQP)

Le antenne possono essere descritte quantitativamente in termini di parametri spaziali e di circuito. AQP definisce rispettivamente le caratteristiche di radiazione e impedenza dell'antenna e sono elencate come segue:

1. guadagno dell'antenna, G e direttività (guadagno di direttività), D

2. Temperatura dell'antenna, T

3. Resistenza alle radiazioni, R

4. Larghezza del fascio di mezza potenza, larghezza di banda 3dB

5. Direzione, direzione di osservazione o angolo di scansione

6. Caratteristiche del livello del lobo laterale (SLL), come il picco SLL (PSLL), SLL medio (ASLL).

7. Caratteristiche di polarizzazione incrociata (X-Pol)

8. Rapporto assiale (AR)

G misura la direzionalità del modello dell'antenna con riferimento all'antenna isotropica (G = 1), quindi DBI (per isotropico I) può essere misurato. Differisce da D in quanto tiene conto di varie perdite in conduttori, spazio (radiazione) e conduttori (dielettrico o aria) e non è incluso nel guadagno direzionale D. Quindi G è sempre inferiore a D. BW 3dB è la distanza angolare tra due - 3dB punti dal valore massimo o di picco del fascio principale nel diagramma di radiazione. La linea di visione definisce la direzione in cui punta il fascio principale del modello dell'antenna quando l'array viene scansionato meccanicamente (utilizzando un servomotore) o elettronicamente (applicando digitalmente uno spostamento di fase agli elementi dell'array). Un'antenna a microonde ideale ad alta frequenza non ha lobi laterali. Tuttavia, a causa della natura finita del piano di terra dell'antenna, a causa della lunghezza di fase e dell'interferenza di cancellazione tra la corrente che scorre nelle direzioni avanti e inverse, la corrente che si propaga all'apertura dell'antenna sarà riflessa dal suo bordo finito, con conseguente formazione di lobi laterali. L'involucro del lobo laterale può essere caratterizzato dalla SLL PSLL, ASLL e root-mean-square (RMS) con riferimento alle misurazioni ML. Il livello di polarizzazione incrociata (X-Pol) definisce il livello di intensità della radiazione in un piano ortogonale rispetto al piano di polarizzazione desiderato; Pertanto, per un'antenna polarizzata orizzontalmente, X-Pol è polarizzato verticalmente. Il piano di polarizzazione definisce il piano che contiene il vettore di campo elettrico. AR quantifica la polarizzazione dell'antenna. La polarizzazione può essere ellittica, circolare (ARãœ0 dB) o lineare (ARãœâœž).

Classificazione dell'antenna a microonde ad alta frequenza

Include antenne cablate, antenne ad onda mobile, antenne riflettori, antenne microtrip, antenne log-periodiche, antenne ad apertura e altre antenne come le antenne NFC (Near Field Communication) e antenne frattali. A seconda del tipo, il guadagno di un singolo elemento dell'antenna può variare da 0 dBi (unipolare) a 10-12 dBi (ad esempio, antenne coniche slot e antenne elicoidali). Le categorie possono essere selezionate per determinate applicazioni in base a specifiche come la gestione dell'alimentazione, G, SLL, dimensioni, peso e volume. Ad esempio, le antenne radiotelescopiche astronomiche richiedono un guadagno molto elevato e capacità di elaborazione ad alta potenza, e richiedono un'installazione aperta su un'ampia area esposta a diverse e spesso gravi condizioni topologiche e ambientali. Questi requisiti sono generalmente soddisfatti con gli array di antenne riflettori. Progettate per un altopiano con immobili limitati, le antenne HAPS HAPS 2 Microstrip sono utili per aerei da caccia, leggeri nel peso, compatti nelle dimensioni e adatti alla natura. Le antenne ad onda mobile e le antenne log-periodiche sono utili per applicazioni di elaborazione a banda ultra larga e ad alta potenza.

L'antenna frattale può essere utilizzata per realizzare la struttura dell'antenna incorporata all'interno del telefono cellulare. L'antenna pieghevole invertita planare (PIFA) è una buona struttura per applicazioni di antenna conformale indossabili. Gli array di antenne possono essere utilizzati per applicazioni come radar, dove sono necessari guadagni più elevati per il rilevamento su un raggio più lungo, e fasci direzionali, dove è richiesto il tracciamento del bersaglio.

L'antenna ad alta frequenza a microonde può essere divisa in tre grandi categorie:

Linear antenna array (LAA), costituito da un cluster di elementi di antenna unidimensionale. Un array di antenna planare (PAA), costituito da un cluster bidimensionale di elementi di antenna. Un array di antenna conforme (CAA) è costituito da un array conformale di gruppi di elementi di antenna uno o due dimensioni disposti su una superficie. Samaiyar ha discusso l'applicazione di antenne ad alta frequenza a microonde nell'implementazione simultanea di operazioni di invio e ricezione a 5,8 GHz nella banda ISM. canyon profondi, ecc.