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Calculadora de antena Microstrip Patch

Calcule as dimensões da antena de microfita retangular (largura, comprimento) usando o modelo de linha de transmissão. Produz constante dielétrica efetiva, impedância de alimentação de borda e ganho nominal para substratos comuns como FR4 e Rogers.

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Fórmula

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

Referência: 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)

Como Funciona

As antenas microstrip patch são estruturas radiantes planas de baixo perfil fabricadas em substratos de placas de circuito impresso. O projeto fundamental envolve a criação de uma mancha metálica em um substrato dielétrico com um plano de aterramento embaixo. O desempenho da antena depende criticamente da constante dielétrica do substrato (θr), das dimensões do patch e do mecanismo de alimentação. Os cálculos de largura (W) e comprimento (L) são derivados dos princípios de propagação de ondas eletromagnéticas, levando em conta as propriedades elétricas do substrato. O adesivo atua efetivamente como uma cavidade ressonante, com a radiação ocorrendo por meio de descontinuidades nas bordas do adesivo. Parâmetros-chave, como a constante dielétrica efetiva (EReff), modificam o comprimento de onda elétrico, explicando a propagação mais lenta da onda pelo meio dielétrico em comparação com o espaço livre.

Exemplo Resolvido

Considere um design de antena patch de microfita para aplicações WiFi de 2,4 GHz usando substrato FR-4 com θr = 4,3 e altura do substrato h = 1,6 mm. Primeiro, calcule o comprimento de onda do espaço livre λ = 3 × 10 ^ 8/(2,4 × 10 ^ 9) = 0,125 m. Usando a fórmula de largura, W = 0,125/(2 * sqrt (2/(4,3 + 1))) ≈ 0,0592 m ou 59,2 mm. O cálculo da constante dielétrica efetiva produz eReff ≈ 3,74. O cálculo do comprimento então fornece L = 0,125/(2 * sqrt (3,74)) - 2 * termo de correção, resultando em um comprimento de patch de aproximadamente 48,3 mm.

Dicas Práticas

  • ✓Use materiais de substrato de alta precisão para um desempenho mais consistente da antena
  • ✓Considere usar o analisador de rede vetorial para medições precisas de impedância e padrão de radiação
  • ✓Implemente extensões do plano terrestre para melhorar a eficiência de radiação

Erros Comuns

  • ✗Negligenciando a altura do substrato e os efeitos da constante dielétrica no desempenho da antena
  • ✗Assumindo que o comprimento de onda do espaço livre se traduz diretamente nas dimensões do patch sem fatores de correção
  • ✗Ignorando o impacto da rede de alimentação nas características de radiação

Perguntas Frequentes

A largura de banda é influenciada principalmente pela espessura do substrato, constante dielétrica e geometria do patch. Substratos mais espessos e constantes dielétricas mais baixas geralmente fornecem larguras de banda maiores.
Sim, as fórmulas são universais. Basta inserir a frequência específica, as propriedades do substrato e a altura para calcular as dimensões do patch.
Os cálculos fornecem um bom ponto de partida, mas as implementações práticas sempre exigem validação empírica por meio de medição e simulação.
As técnicas de alimentação comuns incluem alimentação de linha de microfita, alimentação de sonda coaxial e acoplamento de abertura, cada uma com vantagens exclusivas na correspondência de impedância e características de radiação.
O ganho pode ser aprimorado usando vários elementos de patch em uma configuração de matriz, otimizando as propriedades do substrato e implementando redes de alimentação precisas.

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