マイクロストリップアンテナ：構造、仕組み、種類、給電方法とその応用

無線工学におけるアンテナまたはアンテナは、特殊な技術です。 トランスデューサー 、送信機または受信機に電気的に接続された導体のアレイによって設計されています。アンテナの主な機能は、水平方向全方向に均等に電波を送受信することです。アンテナにはさまざまな種類と形状があります。小さなアンテナはテレビを見るために家の屋根に設置されており、大きなアンテナは何百万マイルも離れたさまざまな衛星からの信号を捕捉します。アンテナは垂直および水平に移動して信号を捕捉および送信します。がある さまざまな種類のアンテナ アパーチャ、ワイヤ、レンズ、リフレクタ、マイクロストリップ、対数周期、アレイなどを利用できます。この記事では、その概要について説明します マイクロストリップアンテナ 。

マイクロストリップ アンテナの定義

誘電体表面上の導電性材料を単にエッチングすることによって形成されたアンテナは、マイクロストリップ アンテナまたはパッチ アンテナと呼ばれます。このマイクロストリップ アンテナのグランド プレーンには誘電体材料が取り付けられており、このプレーンが構造全体を支えています。さらに、パッチに接続された給電線を使用して、このアンテナへの励起を行うことができます。一般に、これらのアンテナは、周波数が 100 MHz を超えるマイクロ波周波数アプリケーションで使用される薄型アンテナとみなされます。

アンテナのマイクロストリップ/パッチは、分析と製造を容易にするために、長方形、正方形、楕円形、円形に選択できます。一部のマイクロストリップ アンテナは誘電体基板を使用せず、誘電体スペーサーを使用してグランド プレーンに取り付けられた金属パッチで作られています。したがって、結果として生じる形成の強度は低くなりますが、その帯域幅は広くなります。

マイクロストリップ アンテナの構造

マイクロストリップ アンテナの設計は、誘電体間のグランド プレーン上に配置することにより、極薄の金属ストリップを利用して行うことができます。ここで、誘電体材料は、ストリップをグランドプレーンから分離するために使用される基板です。このアンテナが励起されると、誘電体内で生成された波は反射を受け、金属パッチの端から放出されるエネルギーは非常に低くなります。これらのアンテナの形状は、誘電体材料上に配置された金属パッチの形状によって識別されます。

一般に、ストリップ/パッチと給電線は基板の表面にフォトエッチングされます。マイクロストリップ アンテナには、正方形、ダイポール、長方形、円形、楕円形、ダイポールなどのさまざまな形状があります。パッチはさまざまな形状に形成できることが知られていますが、製造が容易なため、通常は円形、正方形、長方形のパッチが使用されます。

マイクロストリップ アンテナは、誘電体基板上のさまざまなパッチのグループで形成することもできます。単一または多数の給電線を利用してマイクロストリップ アンテナに励起を与えます。したがって、マイクロストリップ要素アレイの存在により、より優れた指向性、高利得、および低干渉での伝送範囲の拡大が実現します。

マイクロストリップアンテナの働き

マイクロストリップ アンテナは次のように機能します。給電線を流れる電流がマイクロストリップ アンテナのストリップに到達すると、電磁波が発生します。したがって、パッチからのこれらの波は幅方向から放射され始めます。ただし、ストリップの厚さが非常に薄い場合、基板内で生成された波はストリップのエッジを通して反射されます。長さに沿った一定のストリップ構造により、放射線の放出が起こりません。

マイクロストリップ アンテナの放射能力が低いため、店舗、屋内、地方事務所などの近距離の電波送信のみをカバーできます。したがって、この非効率的な電波送信は、非常に広い地域の集中地域では受け入れられません。通常、半球状のカバレッジは、マウントから離れた 30⁰ ～ 180⁰ の角度にあるパッチ アンテナによって提供されます。

マイクロストリップアンテナの仕様

マイクロストリップ アンテナの仕様には次のものが含まれます。

• その共振周波数は 1.176 GHz です。
• マイクロストリップ アンテナの周波数範囲は 2.26 GHz ～ 2.38 GHz です。
• 基板の誘電率は 5.9 です。
• 誘電体基板の高さは635umです。
• 給電方式はマイクロストリップライン給電です。
• 損失正接は 0.00 12 です。
• 導体は銀色です。
• 導体の太さは25umです。
• 帯域幅は fo ± 10 GHz です。
• そのゲインは 5dB 以上です。
• 軸比は 4dB 未満です。
• リターンロスは 15dB より優れています。

マイクロストリップ アンテナの種類

さまざまなタイプのマイクロストリップ アンテナが利用可能であり、以下で説明します。

マイクロストリップ パッチ アンテナ

これらのタイプのアンテナは、ストリップ (または) パッチ アンテナを構成する誘電体材料を介して金属パッチがグランド レベルに配置された薄型アンテナです。これらのアンテナは、放射が少ない非常に小型のアンテナです。このアンテナは、誘電体基板の片面に放射パッチを備え、もう一方の面にはグランド プレーンを備えています。

一般に、パッチは金や銅などの導電性材料で作られています。このようなタイプのアンテナは、マイクロストリップ法を使用して PCB 上に簡単に作成できます。これらのアンテナは、100 MHz を超える周波数のマイクロ波周波数アプリケーションで使用されます。

マイクロストリップ ダイポール アンテナ

マイクロストリップ ダイポールアンテナ は薄いマイクロストリップ導体で、基板の実際の部分に配置され、グランドプレーンとして知られる片面が金属で完全に覆われています。これらのアンテナは、コンピュータや WLAN のノードなどのデジタル通信デバイスで使用されます。このタイプのアンテナの幅は狭いため、WLAN システムの入り口で利用できます。

プリントスロットアンテナ

プリント スロット アンテナは、両方向の放射パターンでアンテナの帯域幅を強化する上で重要な役割を果たします。このアンテナは通常のアンテナに比べて感度が低くなります。これらのアンテナは、基板の逆方向、パッチ上に設けられたスロット軸に対して垂直に配置された給電線全体に必要です。

マイクロストリップ進行波アンテナ

マイクロストリップ進行波アンテナは、主に、TE 接続をサポートするのに十分な幅を持つ長いマイクロストリップ ラインを使用して設計されています。これらのタイプのマイクロチップ アンテナは、主要ビームが舷側から終端までのあらゆるルート内に位置するように設計されています。

マイクロストリップアンテナの給電方法

マイクロストリップ アンテナには 2 つの給電方法があります。接触フィードと非接触フィードについては後述します。

フィードに連絡する

接触給電の電力は放射素子に直接供給されます。したがって、これは同軸線/マイクロストリップを使用して行うことができます。この給餌方法もまた 2 つのタイプに分類されます。以下で説明するマイクロストリップ給電と同軸給電。

マイクロストリップフィード

マイクロストリップ給電は、放射素子の幅よりも非常に狭い幅を持つ導電性ストリップです。ストリップの寸法が薄いため、給電線は基板上に簡単なエッチングを提供します。このタイプのフィード配置の利点は次のとおりです。フィードを同様の基板の上にエッチングして平面構造を提供できること。構造物への給電線は、中央、オフセット、またはインセットのいずれかに設けられます。パッチ内のインセットカットの主な目的は、追加の整合要素を必要とせずに、給電線のインピーダンスをパッチに整合させることです。

同軸送り

この給電方法は最もよく使用されるタイプで、パッチへの給電に同軸ケーブルを使用する非平面給電方法です。この給電方法は、内部導体がパッチに直接接続され、外部導体がグランドプレーンに接続されるという方法でマイクロストリップ アンテナに与えられます。

同軸給電の配置の違いによりインピーダンスが変化します。給電線がパッチ内の任意の場所に接続されると、インピーダンスの整合が容易になります。ただし、グランドプレーン全体に接続する給電線は、基板内に穴を開ける必要があるため、少し困難です。この給電方法は製造が非常に簡単で、スプリアス放射が少なくなります。ただし、主な欠点は、グランド プレーン コネクタに接続されていることです。

非接触フィード

放射素子には給電線から電磁結合により電力が与えられます。これらのフィード方法には 3 つのタイプがあります。絞り結合、近接結合、および分岐ラインフィード。

絞り連動フィード

開口給電技術には、アンテナ誘電体基板のような 2 つの誘電体基板と、単純にグランドプレーンで分割され中央にギャップのある給電誘電体基板が含まれます。金属パッチはアンテナの基板の上に配置され、グランド プレーンはアンテナ誘電体の別の面に配置されます。絶縁を提供するために、給電線と給電誘電体はグランド プレーンの別の側に配置されます。

この給電技術は、他の給電技術では達成できない優れた偏光純度を提供します。開口カップルフィードは高帯域幅を提供し、単一レイヤーから別のレイヤーへのワイヤーを利用したくないアプリケーションに非常に役立ちます。この供給技術の主な欠点は、多層製造が必要なことです。

近接結合フィード

近接結合給電は、グランドプレーンが存在しない間接給電とも呼ばれます。開口結合給電アンテナと比較して、製造が非常に簡単です。アンテナの導電面にはスロットがあり、マイクロストリップラインと結合しています。

この給電方法は、低スプリアス放射と巨大な帯域幅を提供します。この方法の給電線は 2 つの誘電体基板の間に配置されます。給電線の端は、マイクロストリップ アンテナの入力インピーダンスが 50 オームである点に配置されます。このフィード技術は、他のタイプの方法と比較して帯域幅効率が向上しています。この手法の主な欠点は次のとおりです。多層製造が可能ですが、偏光純度が低くなります。

分岐改行

分岐ラインフィード技術では、導電性ストリップがマイクロストリップのパッチエッジに直接接続されます。パッチと比較すると、導電性ストリップの幅は小さくなります。この給餌技術の主な利点は次のとおりです。フィードは同様の基板上にエッチングされ、平面構造が得られます。

インセットカットをパッチに組み込むことで、追加のマッチング要素を必要とせずに優れたインピーダンスマッチングを実現できます。これは、インセット位置を適切に制御することで実現できます。そうでない場合は、スロットをスライスしてパッチから適切なサイズでエッチングすることもできます。なお、この給電方式を利用して分岐給電方式と呼んでいます。

マイクロストリップ アンテナの放射パターン

アンテナの放射特性をグラフで表現したものは放射パターンとして知られており、アンテナがどのようにエネルギーを空間に放射するかを説明します。到来角の関数としての電力の変化は、アンテナの遠方界で監視されます。

マイクロストリップ アンテナの放射パターンは広く、放射電力が少なく、周波数帯域幅が狭いです。マイクロストリップ アンテナの放射パターンを以下に示しますが、指向性は低くなります。これらのアンテナを使用することにより、指向性に優れたアレイを形成することができる。

特徴

の マイクロストリップアンテナの特性 以下のものが含まれます。

• マイクロストリップ アンテナ パッチは、非常に薄い導電領域である必要があります。
• パッチと比較して、グランドプレーンはかなり非常に大きな寸法を持つ必要があります。
• 基板上のフォトエッチングは、放射素子と給電線を構築するために行われます。
• 誘電率が 2.2 ～ 12 の範囲にある厚い誘電体基板は、アンテナとして優れた性能を発揮します。
• マイクロストリップ アンテナ設計のマイクロストリップ素子アレイは、優れた指向性を提供します。
• マイクロストリップ アンテナは広いビーム幅を提供します。
• Q 値が高いと効率が低く、帯域幅がわずかになるため、このアンテナは非常に高い品質係数を提供します。しかし、これは基板の幅を増やすだけで補うことができます。ただし、特定の制限を超えて幅を拡大すると、不必要な電力損失が発生します。

長所と短所

の マイクロストリップアンテナの利点 以下のものが含まれます。

• マイクロストリップ アンテナは非常に小さいです。
• これらのアンテナの重量は軽いです。
• このアンテナの製造手順は簡単です。
• サイズと体積が小さいため、設置は非常に簡単です。
• 他のデバイスと簡単に統合できます。
• このアンテナは 2 倍および 3 倍の周波数動作を実行できます。
• これらのアンテナ アレイは簡単に構築できます。
• このアンテナは、強い表面上で高い堅牢性を提供します。
• 製作、カスタマイズ、修正が簡単です。
• このアンテナは構造が簡単で低コストです。
• このアンテナでは、直線偏波と円偏波が実現可能です。
• アレイアンテナに適しています。
• モノリシックマイクロ波ICと互換性があります。
• 誘電体の幅を改善するだけで帯域幅を拡張できます。

の マイクロストリップアンテナのデメリット 以下のものが含まれます。

• このアンテナの利得は低くなります。
• このタイプのアンテナの効率は、導体損失と誘電損失により低くなります。
• このアンテナには、広範囲の交差偏波放射があります。
• このアンテナの電力処理能力は低いです。
• インピーダンス帯域幅が狭くなります。
• このアンテナの構造は、フィードおよびその他の接続点から放射します。
• このアンテナは、生態学的要因に対して非常に敏感な性能を示します。
• これらのアンテナは、偽造されたフィード放射の影響を受けやすくなります。
• このアンテナは導体損失と誘電損失が大きくなります。

アプリケーション

の 使用したり、 マイクロストリップアンテナの応用 以下のものが含まれます。

• マイクロストリップ アンテナはさまざまな分野に適用できます。ミサイルでは、 衛星 、宇宙船、航空機、無線通信システム、携帯電話、リモートセンシングおよびレーダー。
• これらのアンテナは無線通信に使用されます。携帯電話やポケットベルなどのハンドヘルド デバイスとの互換性を示すため。
• これらはミサイルの通信アンテナとして使用されます。
• これらのアンテナはサイズが小さいため、マイクロ波や衛星通信アプリケーションに使用されます。
• GPS これは、車両や海兵隊の追跡が容易になるため、マイクロストリップ アンテナの主な利点の 1 つです。
• これらはフェーズドアレイで使用されます レーダー あるパーセンテージに等しい帯域幅許容差を処理す​​るため。

マイクロストリップ アンテナの帯域幅を改善するにはどうすればよいですか?

マイクロストリップ アンテナの帯域幅は、低誘電率による基板の厚さの強化、スロット切断、ノッチ切断によるプローブ給電、さまざまな形式のアンテナなど、さまざまな技術によって拡張できます。

マイクロストリップ アンテナが放射するのはなぜですか?

マイクロストリップ パッチ アンテナは、主にパッチ エッジとグランド プレーン間の漏れ磁場によって放射します。

マイクロストリップ アンテナのゲインを上げるにはどうすればよいですか?

マイクロストリップ アンテナのゲインは、給電パッチとグランド プレーンの間にある寄生パッチとエア ギャップによって増加できます。

したがって、これは マイクロストリップアンテナの概要 、動作とそのアプリケーション。このアンテナは、通信システムのアンテナとその他の駆動回路を共通の PCB (または) 半導体チップ上に便利に統合できる、非常に現代的な発明です。これらは、ギガヘルツ範囲の現在のマイクロ波システムの広範な範囲で広く使用されています。このアンテナの主な利点は次のとおりです。軽量、低コスト、コンフォーマルな形状、モノリシックおよびハイブリッド マイクロ波 IC との互換性。ここであなたに質問です。 ダイポールアンテナ ?