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Microstrip-Patch-Antennenrechner

Berechnen Sie die Abmessungen der rechteckigen Mikrostreifen-Patch-Antenne (Breite, Länge) mithilfe des Übertragungsleitungsmodells. Gibt die effektive Dielektrizitätskonstante, die Flankeneinspeisungsimpedanz und die Nennverstärkung für gängige Substrate wie FR4 und Rogers aus.

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Formel

W = \frac{c}{2f}\sqrt{\frac{2}{\varepsilon_r+1}}, \quad L = \frac{c}{2f\sqrt{\varepsilon_{r,\text{eff}}}} - 2\Delta L

Referenz: Balanis, "Antenna Theory: Analysis and Design", 4th ed., Chapter 14

W— Patch width (m)
L— Patch length (m)
εr— Substrate relative permittivity
εr_eff— Effective relative permittivity
ΔL— End-effect fringing extension (m)
c— Speed of light (299 792 458 m/s) (m/s)
f— Operating frequency (Hz)

Wie es funktioniert

Mikrostreifen-Patchantennen sind planare, flache Strahlungsstrukturen, die auf Leiterplattensubstraten hergestellt werden. Das grundlegende Design beinhaltet die Erzeugung eines metallischen Patches auf einem dielektrischen Substrat mit einer darunter liegenden Massefläche. Die Leistung der Antenne hängt entscheidend von der Dielektrizitätskonstante (δr) des Substrats, den Abmessungen des Patches und dem Einspeisemechanismus ab. Die Berechnungen für Breite (W) und Länge (L) basieren auf Prinzipien der elektromagnetischen Wellenausbreitung und berücksichtigen die elektrischen Eigenschaften des Substrats. Das Pflaster wirkt quasi wie ein Resonanzhohlraum, in dem die Strahlung durch Diskontinuitäten an den Kanten des Patches entsteht. Wichtige Parameter wie die effektive Dielektrizitätskonstante (EReff) modifizieren die elektrische Wellenlänge und tragen so dazu bei, dass sich die Welle im dielektrischen Medium langsamer ausbreitet als im freien Raum.

Bearbeitetes Beispiel

Ziehen Sie ein Mikrostreifen-Patch-Antennendesign für 2,4-GHz-WiFi-Anwendungen in Betracht, bei dem ein FR-4-Substrat mit δr = 4,3 und einer Substrathöhe h = 1,6 mm verwendet wird. Berechnen Sie zunächst die Freiraumwellenlänge λ = 3×10^8/(2,4×10^9) = 0,125 m. Verwenden Sie dazu die Breitenformel, W = 0,125/(2 * sqrt (2/(4,3 + 1))) ≈ 0,0592 m oder 59,2 mm. Die Berechnung der effektiven Dielektrizitätskonstante ergibt EReff ≈ 3,74. Die Längenberechnung ergibt dann L = 0,125/(2 * sqrt (3,74)) — 2 * Korrekturterm, was einer Patchlänge von ungefähr 48,3 mm entspricht.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie hochpräzise Substratmaterialien für eine gleichmäßigere Antennenleistung
  • ✓Erwägen Sie den Einsatz eines Vektor-Netzwerkanalysators für präzise Impedanz- und Strahlungsmustermessungen
  • ✓Implementieren Sie Erweiterungen der Grundebene für eine verbesserte Strahlungseffizienz

Häufige Fehler

  • ✗Vernachlässigung der Auswirkungen der Substrathöhe und der Dielektrizitätskonstante auf die Antennenleistung
  • ✗Unter der Annahme, dass die Freiraumwellenlänge direkt in Patchdimensionen ohne Korrekturfaktoren übersetzt wird
  • ✗Ignorieren der Auswirkungen des Versorgungsnetzes auf die Strahlungseigenschaften

Häufig gestellte Fragen

Die Bandbreite wird hauptsächlich von der Substratdicke, der Dielektrizitätskonstante und der Patch-Geometrie beeinflusst. Dickere Substrate und niedrigere Dielektrizitätskonstanten sorgen im Allgemeinen für größere Bandbreiten.
Ja, die Formeln sind universell. Geben Sie einfach die spezifische Frequenz, die Substrateigenschaften und die Höhe ein, um die Abmessungen des Patches zu berechnen.
Die Berechnungen bieten einen guten Ausgangspunkt, aber praktische Implementierungen erfordern immer eine empirische Validierung durch Messung und Simulation.
Zu den gängigen Einspeisetechniken gehören die Mikrostreifenleitung, die koaxiale Sondenzuführung und die Aperturkopplung, die jeweils einzigartige Vorteile in Bezug auf Impedanzanpassung und Strahlungseigenschaften bieten.
Die Verstärkung kann verbessert werden, indem mehrere Patch-Elemente in einer Array-Konfiguration verwendet, die Substrateigenschaften optimiert und präzise Einspeisungsnetzwerke implementiert werden.

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