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Calculateur d'antenne Patch Microruban

Calculez les dimensions de l'antenne patch microruban rectangulaire (largeur, longueur) à l'aide du modèle de ligne de transmission. Constante diélectrique effective en sortie, impédance d'alimentation latérale et gain nominal pour des substrats courants tels que le FR4 et Rogers.

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Formule

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

Référence: 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)

Comment ça marche

Les antennes patch microruban sont des structures rayonnantes planes et discrètes fabriquées sur des substrats de cartes de circuits imprimés. La conception fondamentale consiste à créer un patch métallique sur un substrat diélectrique avec un plan de masse en dessous. Les performances de l'antenne dépendent de manière critique de la constante diélectrique (μr) du substrat, des dimensions de la pastille et du mécanisme d'alimentation. Les calculs de largeur (W) et de longueur (L) sont dérivés des principes de propagation des ondes électromagnétiques, en tenant compte des propriétés électriques du substrat. Le patch agit efficacement comme une cavité résonnante, le rayonnement se produisant par le biais de discontinuités sur les bords du patch. Des paramètres clés tels que la constante diélectrique effective (eReff) modifient la longueur d'onde électrique, ce qui explique la propagation plus lente de l'onde dans le milieu diélectrique par rapport à l'espace libre.

Exemple Résolu

Envisagez une conception d'antenne patch microruban pour les applications WiFi 2,4 GHz utilisant un substrat FR-4 avec et une hauteur de substrat h = 1,6 mm. Tout d'abord, calculez la longueur d'onde de l'espace libre λ = 3×10^8/(2,4×10^9) = 0,125 m. À l'aide de la formule de largeur, W = 0,125/(2 * sqrt (2/(4,3 + 1))) ≈ 0,0592 m ou 59,2 mm. Le calcul de la constante diélectrique effective donne EReff ≈ 3,74. Le calcul de la longueur donne alors L = 0,125/(2 * sqrt (3,74)) - 2 * terme de correction, ce qui donne une longueur de patch d'environ 48,3 mm.

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez des matériaux de substrat de haute précision pour des performances d'antenne plus constantes
  • ✓Envisagez d'utiliser un analyseur de réseau vectoriel pour des mesures précises de l'impédance et du diagramme de rayonnement
  • ✓Mettre en œuvre des extensions du plan du sol pour améliorer l'efficacité du rayonnement

Erreurs Fréquentes

  • ✗Négliger les effets de la hauteur du substrat et de la constante diélectrique sur les performances de l'antenne
  • ✗En supposant que la longueur d'onde de l'espace libre se traduit directement par les dimensions du patch sans facteurs de correction
  • ✗Ignorer l'impact du réseau d'alimentation sur les caractéristiques du rayonnement

Foire Aux Questions

La bande passante est principalement influencée par l'épaisseur du substrat, la constante diélectrique et la géométrie du patch. Des substrats plus épais et des constantes diélectriques plus faibles fournissent généralement des bandes passantes plus larges.
Oui, les formules sont universelles. Entrez simplement la fréquence spécifique, les propriétés du substrat et la hauteur pour calculer les dimensions du patch.
Les calculs constituent un bon point de départ, mais les implémentations pratiques nécessitent toujours une validation empirique par le biais de mesures et de simulations.
Les techniques d'alimentation courantes incluent l'alimentation par ligne microruban, l'alimentation par sonde coaxiale et le couplage d'ouverture, chacune présentant des avantages uniques en termes d'adaptation d'impédance et de caractéristiques de rayonnement.
Le gain peut être amélioré en utilisant plusieurs éléments de patch dans une configuration de réseau, en optimisant les propriétés du substrat et en mettant en œuvre des réseaux d'alimentation précis.

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