Comment calculez-vous la longueur d'une antenne microruban pour une fréquence spécifique ?

La longueur de la pastille est d'environ une demi-longueur d'onde dans le substrat, calculée à l'aide de la formule fr = c/ (2Leff√ eff), où Leff est la longueur physique plus l'extension des franges (ΔL) sur chaque arête. Vous devez tenir compte de la constante diélectrique effective, qui est inférieure à la valeur de r du substrat car certaines lignes de champ traversent l'air au-dessus du patch.

Quelle est la constante diélectrique effective d'une antenne microruban ?

La constante diélectrique effective tient compte des lignes de champ traversant à la fois le substrat et l'air, calculée comme suit : eff = (μr+1) /2 + (μr-1) /2 × (1 + 12h/W) ^ (-0,5). Pour un patch 2,4 GHz sur FR4 (r = 4,4) d'une épaisseur de 1,6 mm et d'une largeur de 38,1 mm, eff correspond à environ 4,09.

Quelles sont les dimensions d'une antenne patch 2,4 GHz sur FR4 ?

Pour 2,4 GHz sur la norme FR4 (r = 4,4, h = 1,6 mm), la largeur du patch est calculée à environ 38,1 mm en utilisant W = c/ (2fr) × √ (2/ (μr+1)). La longueur est ensuite dérivée de la formule de fréquence de résonance tenant compte de la constante diélectrique effective et de l'extension des franges.

Comment la largeur du patch affecte-t-elle les performances des antennes microruban ?

La largeur du patch affecte à la fois l'efficacité du rayonnement et l'impédance d'entrée : un patch plus large rayonne plus efficacement mais modifie la constante diélectrique effective et complique l'adaptation de l'impédance. Il existe une largeur optimale pratique qui équilibre ces compromis, généralement calculée comme W = c/ (2fr) × √ (2/ (μr+1)).

Antenna Design20 juillet 20267 min de lecture

Conception d'une antenne patch microruban : calculatrice sur cuivre

Apprenez à concevoir des antennes patch microruban rectangulaires à l'aide de calculs réels pour le WiFi, la 5G mmWave, etc. Comprend des exemples concrets et.

Sommaire

Pourquoi les antennes Patch sont partout
La physique en bref
Exemple fonctionnel : WiFi 2,4 GHz sur FR4
La sélection du substrat est plus importante que vous ne le pensez
Erreurs et pièges courants
Ignorer la taille du plan de sol
Utiliser la mauvaise constante diélectrique
Oublier le fil
En supposant que le nombre de gain est ce que vous obtiendrez réellement
Ne pas tenir compte du masque de soudure
Quand les antennes Patch ne sont pas le bon choix
Essayez-le

Pourquoi les antennes Patch sont partout

Ouvrez n'importe quel routeur WiFi, récepteur GPS ou téléphone 5G et vous trouverez au moins une antenne patch microruban. Ils sont plats, peu coûteux à fabriquer et s'intègrent directement aux PCB. Le compromis ? Ils sont à bande étroite et nécessitent un dimensionnement minutieux pour atteindre votre fréquence cible.

L'idée de base est simple : une plaque de cuivre rectangulaire se trouve au-dessus d'un plan de masse, séparée par un substrat diélectrique. Le patch agit comme une cavité résonnante et ses dimensions déterminent la fréquence de fonctionnement. Si vous vous trompez de longueur de quelques pour cent, la résonance de votre antenne se déplace suffisamment pour réduire votre perte de retour.

La physique en bref

Une antenne patch rectangulaire rayonne à partir de ses deux « bords rayonnants », les bords perpendiculaires à la direction d'alimentation. La longueur de la pastille $L$ est d'environ la demi-longueur d'onde dans le matériau du substrat, ce qui tient compte des champs frangés qui rendent la longueur effective légèrement plus longue que la longueur physique.

La fréquence de résonance est liée à la longueur de la pastille comme suit :

f_r = \frac{c}{2L_{eff}\\sqrt{\\varepsilon_{eff}}}

où $L_{eff}$ est la longueur effective (longueur physique plus extension des franges), $\\varepsilon_{eff}$ est la constante diélectrique effective et $c$ est la vitesse de la lumière.

La constante diélectrique effective explique le fait que certaines lignes de champ traversent l'air au-dessus du patch, et pas seulement à travers le substrat. Pour une structure en microruban :

\\varepsilon_{eff} = \frac{\\varepsilon_r + 1}{2} + \frac{\\varepsilon_r - 1}{2}\\left(1 + 12\frac{h}{W}\right)^{-0.5}

La largeur du patch $W$ affecte l'efficacité du rayonnement et l'impédance d'entrée. Un patch plus large rayonne plus efficacement mais modifie également la constante diélectrique effective. Il existe un optimum pratique qui permet de trouver un équilibre entre l'efficacité et le défi de l'adaptation d'impédance.

Exemple fonctionnel : WiFi 2,4 GHz sur FR4

Concevons une antenne patch pour le WiFi 2,4 GHz en utilisant un substrat FR4 standard. Il s'agit probablement du scénario de conception d'antenne patch le plus courant : substrat bon marché, fréquence bien comprise.

Paramètres donnés :

Fréquence : 2,4 GHz
Substrat : FR4, $\\varepsilon_r = 4.4$ - Hauteur du support : 1,6 mm (épaisseur standard)

Étape 1 : calculer la largeur du patch

La largeur pour une bonne efficacité de rayonnement est la suivante :

W = \frac{c}{2f_r}\\sqrt{\frac{2}{\\varepsilon_r + 1}} = \frac{3 \times 10^8}{2 \times 2.4 \times 10^9}\\sqrt{\frac{2}{4.4 + 1}}

Traversée : $W = 0.0625 \times 0.609 = 38.1$ mm

Étape 2 : Calculer la constante diélectrique efficace

Avec $W = 38.1$ mm et $h = 1.6$ mm :

\\varepsilon_{eff} = \frac{4.4 + 1}{2} + \frac{4.4 - 1}{2}\\left(1 + 12 \times \frac{1.6}{38.1}\right)^{-0.5}

\\varepsilon_{eff} = 2.7 + 1.7 \times (1.504)^{-0.5} = 2.7 + 1.39 = 4.09

Étape 3 : calculer l'extension de frange

Les champs frangés étendent la longueur effective de $\\Delta L$ sur chaque arête :

\\Delta L = 0.412h\frac{(\\varepsilon_{eff} + 0.3)(W/h + 0.264)}{(\\varepsilon_{eff} - 0.258)(W/h + 0.8)}

Branchement : $\\Delta L = 0.412 \times 1.6 \times \frac{(4.09 + 0.3)(23.8 + 0.264)}{(4.09 - 0.258)(23.8 + 0.8)} = 0.74$ mm

Étape 4 : Calculez la longueur du patch

L = \frac{c}{2f_r\\sqrt{\\varepsilon_{eff}}} - 2\\Delta L = \frac{3 \times 10^8}{2 \times 2.4 \times 10^9 \times 2.02} - 2(0.74)

L = 30.9 - 1.48 = 29.4 \text{ mm}

Les dimensions de notre patch sont donc d'environ 38 mm × 29 mm. L'impédance alimentée par les bords sera d'environ 200 à 300 Ω, c'est pourquoi vous avez besoin d'une alimentation encastrée ou d'un transformateur quart d'onde correspondant à 50 Ω.

Lorsque vous ouvrez le calculateur d'antennes microruban Patch, vous obtenez ces valeurs instantanément, ainsi que l'impédance d'alimentation périphérique et le gain attendu. La calculatrice gère également le calcul du décalage d'alimentation pour l'alimentation encastrée, ce qui vous évite de devoir répéter les calculs du réseau correspondant.

La sélection du substrat est plus importante que vous ne le pensez

Le FR4 est bon marché et disponible, mais honnêtement, il n'est pas idéal pour les antennes supérieures à 3 à 4 GHz. La tangente de perte (généralement 0,02) réduit votre efficacité, et la constante diélectrique varie suffisamment d'un lot à l'autre pour que votre fréquence de résonance puisse varier de 2 à 3 %. Pour les produits WiFi de production, la plupart des ingénieurs l'acceptent et les ajustent lors du prototypage.

Le Rogers RO4003C ( $\\varepsilon_r = 3.55$ , tangente de perte 0,0027) coûte peut-être 10 fois plus cher mais vous donne des résultats cohérents et une bien meilleure efficacité à 5,8 GHz et plus. Pour le fonctionnement en ondes millimétriques 5G à 28 GHz, vous n'avez pratiquement pas le choix : des pertes de FR4 réduiraient votre budget de liaison.

La constante diélectrique inférieure de Rogers signifie également des dimensions de pastilles plus grandes pour la même fréquence, ce qui peut en fait améliorer les tolérances de fabrication. Un patch de 28 GHz sur FR4 serait minuscule et incroyablement sensible aux variations de gravure.

Erreurs et pièges courants

Ignorer la taille du plan de sol

Le calculateur suppose un plan de sol infini, ce qui est une approximation raisonnable si votre sol s'étend au moins $\\lambda/4$ au-delà des bords de la plaque. Si vous lésinez sur le plan du sol, votre motif se déforme, votre impédance change et le rayonnement de votre lobe arrière augmente. J'ai vu des ingénieurs essayer d'insérer un patch 2,4 GHz sur une carte 40 mm × 40 mm et se demander pourquoi leur perte de retour est de 6 dB au lieu de 15 dB.

Utiliser la mauvaise constante diélectrique

Les valeurs de la fiche technique pour le $\\varepsilon_r$ sont généralement spécifiées à 1 MHz. À 2,4 GHz, FR4 est plus proche de 4,2 à 4,3 que de 4,4. À 5,8 GHz, cela pourrait être 4,0. Cette dépendance à la fréquence n'est pas énorme, mais elle est suffisante pour modifier votre résonance de 50 à 100 MHz si vous ne faites pas attention. Pour les conceptions critiques, mesurez votre substrat réel ou obtenez des données spécifiques à la fréquence auprès du fabricant.

Oublier le fil

Le calculateur vous donne une impédance d'alimentation de bord, qui est généralement de 150 à 300 Ω selon votre géométrie. Vous ne pouvez pas simplement faire passer une ligne microruban de 50 Ω jusqu'au bord du patch et vous attendre à une bonne correspondance. Vous avez besoin soit de :

Une alimentation encastrée (encoche découpée dans le patch) pour atteindre un point de 50 Ω
Un transformateur quart d'onde
Une sonde alimentée par le bas

Le paramètre de décalage d'alimentation du calculateur vous aide à trouver la profondeur d'insertion pour une correspondance de 50 Ω. Dans la pratique, c'est itératif : la calculatrice vous donne un point de départ, mais vous devrez probablement régler la simulation.

En supposant que le nombre de gain est ce que vous obtiendrez réellement

Le gain de sortie nominal (généralement de 5 à 7 dBi pour un seul patch) suppose une adaptation parfaite, aucune perte de substrat et un plan de masse infini. Le gain réel est généralement inférieur de 1 à 2 dB. Pour FR4 à 5,8 GHz, soustrayez un autre dB pour les pertes diélectriques. Ce numéro est utile pour relier les estimations budgétaires, mais ne le promettez pas à votre client.

Ne pas tenir compte du masque de soudure

Le masque de soudure sur le patch ajoute une autre couche diélectrique qui déplace votre fréquence de résonance vers le bas. C'est un faible effet (peut-être 1 à 2 %), mais aux fréquences mmWave, c'est suffisant pour avoir de l'importance. Gardez la zone du patch exempte de masque de soudure ou tenez compte du changement diélectrique effectif.

Quand les antennes Patch ne sont pas le bon choix

Les antennes patch sont idéales pour l'intégration planaire et la couverture hémisphérique, mais elles sont à bande étroite, généralement de 2 à 5 % de bande passante. Si vous devez couvrir à la fois les bandes WiFi 2,4 GHz et 5,8 GHz avec une seule antenne, aucun patch ne suffira. Vous auriez besoin d'une conception à large bande comme un Vivaldi ou d'une structure à double bande avec des éléments rayonnants séparés.

Ils sont également inefficaces lorsque le substrat est électriquement mince. La résistance au rayonnement diminue à mesure que la hauteur du substrat diminue, ce qui entraîne une perte de puissance accrue pour les conducteurs et des pertes diélectriques. Pour les substrats très fins (< 0,01 λ), vous pourriez n'obtenir qu'une efficacité de 50 %, même avec des matériaux à faibles pertes.

Et si vous avez besoin d'une couverture omnidirectionnelle, un patch est fondamentalement faux : il rayonne sur toute la largeur avec un point nul le long du plan du sol. Utilisez plutôt un monopôle ou un dipôle.

Essayez-le

Les calculs ci-dessus sont simples mais fastidieux à répéter pour chaque itération de conception. Ouvrez le calculateur d'antennes microruban Patch pour obtenir les dimensions instantanées de votre combinaison de fréquence et de substrat. Entrez vos paramètres, obtenez la largeur et la longueur du patch, vérifiez l'impédance du bord et utilisez le décalage d'alimentation pour planifier votre approche d'adaptation. Intégrez ensuite ces chiffres à votre simulateur EM pour l'optimisation finale : le calculateur vous permet d'atteindre 90 % du chemin, mais rien ne remplace une simulation en onde complète pour les conceptions de production.