background image

S

TRONA

 6 

Budowa anten mikropaskowych 

 

 

2.  Budowa promienników mikropaskowych 

 

Apertura  anteny  w technologii  mikropaskowej  jest  wykonywana  w formie  druku  na 

laminacie  dwustronnie metalizowanym folią miedzianą . Warstwa miedzi na jednej ze stron 
laminatu stanowi ekran anteny, na drugiej natomiast jest trawiony  wzór promienników.  
Zasilanie łaty odbywa się poprzez sondę (rys. 2.1) lub też bezpośrednio linią mikropaskową 
(rys.  2.2).  Zasilanie  bezpośrednio  poprzez  linie  mikropaskowe  jest  korzystne  z punktu 
widzenia technologicznego, gdyż promienniki oraz sieć zasilająca wykonywana jest na jednej 
stronie  laminatu.  Odpada  konieczność  lutowania  poszczególnych  promienników  oraz 
trawienia dodatkowej płyty laminatu z układem podziału mocy. 

Łata

Podłoże

Ekran

Sonda

 

Rys. 2.1. Budowa promiennika mikropaskowego zasilanego sondą 

Łata

Podłoże

Ekran

Linia

zasilająca

 

Rys. 2.2. Budowa promiennika zasilanego linią mikropaskową  

 

Ograniczona  ilość  miejsca  na  aperturze  uniemożliwia  jednak  zbytnie  rozbudowanie 

sieci zasilającej. Ponadto, należy zauważyć, że odcinki sieci są liniami długimi, które również 
promieniują  zakłócając  rozkład  pola  w aperturze  anteny.  Powoduje  to  podniesienie  się 
poziomu listków bocznych oraz zniekształcenie charakterystyki promieniowania. 
Korzystniejszym  rozwiązaniem  wydaje  się  zasilanie  łat  przez  sondy.  Układ  podziału  mocy 
jest  przeniesiony  wtedy  za  ekran  anteny,  przez  co  można  wyeliminować  niekorzystne 
zjawiska  wprowadzane  przez  sieć  zasilającą.  Jednak  w przypadku  rozbudowanych  szyków 
antenowych  złożonych  z dużej  ilości  łat  promieniujących  lutowanie  może  stanowić  pewien 
problem  technologiczny.  Ponadto  obniża  się  niezawodność  anteny  wskutek  możliwości 
wystąpienia zimnego lutu lub jego rozłączenia pod wpływem  naprężeń termicznych. 
 

Poszczególne  warstwy  anteny  łączy  się  ze  sobą  metodą  klejenia  oraz  prasowania, 

zapewniając  między  poszczególnymi  warstwami  laminatów  połączenia  galwaniczne  lub  też  

background image

Budowa anten mikropaskowych 

S

TRONA

 7 

 

 

poprzez sprzężenie polem elektromagnetycznym. Taka technologia wykonania powoduje, że 
antena ma cienki profil oraz małą wagę. Ponadto materiał z jakiego są wykonywane laminaty 
pozwala  w trakcie  prasowania  nadać  antenie    kształt  powierzchni,  na  której  będzie  później 
montowana. Oczywiście w ograniczonym zakresie tj. dla powierzchni konforemnych. 

2.1.  Charakterystyka podstawowych mikropaskowych elementów 

promieniujących  

Dwa  stopnie  swobody  w płaskim  układzie  współrzędnych  umożliwiają  budowę 

planarnego  elementu  promieniującego  praktycznie  o dowolnym  kształcie.  Niestety,  tylko 
kilka  z wielu  możliwych  kształtów  zostało  dokładnie  przebadane  w celu  określenia  ich 
podstawowych  parametrów  zarówno  geometrycznych,  jak  i elektrycznych.  Do  grupy 
najpopularniejszych  możemy  zaliczyć  elementy:  prostokątne,  kołowe,  eliptyczne,  trójkątne, 
pentagonalne oraz  pierścieniowe (rys. 2.3). 

 

 

 

Prostokąt 

Trójkąt 

Koło 

 

 

 

 

 

 

Pierścień 

Elipsa 

Pięciokąt foremny 

Rys. 2.3. Podstawowe mikropaskowe elementy promieniujące 

Charakterystyki  promieniowania    wymienionych  elementów  są  podobne,  jeśli 

pracują  z  modem  podstawowym.  Szerokość  pasma  pracy  elementu  oraz  jego    powierzchnia 
zależą  jednak  od  kształtu,  np.: struktura  pierścieniowa  umożliwia  uzyskanie  poszerzonego 
pasma  pracy  oraz  zwiększenie  zysku  w czasie  pracy  z wyższymi  modami  fali 
elektromagnetycznej,  kosztem  jednak  znacznego  powiększenia  rozmiarów elementu. 
W tabeli 2.1  zestawiono  przykładowe  parametry  elementów  mikropaskowych  zbudowanych 
przy następujących założeniach:  

−  częstotliwość pracy f

0

=2 GHz, 

−  grubość podłoża h=1,59 mm, 

−  przenikalność dielektryczna podłoża 

ε

r

=2,32. 

Tabela 2.1.  Zestawienie podstawowych parametrów promienników mikropaskowych o różnych kształtach 

 

TYP ELEMENTU 

Parametr 

Prostokątny  

(W =1,56⋅L) 

Kołowy 

Trójkątny 

(równoboczny) 

Pierścieniowy (b=2a) 

Mod pola elektromagnetycznego 

TM

10

 

TM

11

 

TM

10

 

TM

11

 

TM

12

 

Szerokość wiązki ( 3 dB) 
                  płaszczyzna E 
                  płaszczyzna H 

 

102° 

85° 

 

100° 

80° 

 

100° 

88° 

 

103° 

81° 

 

30° 
47° 

Kierunkowość D [dB] 

7,0 

7,1 

7,1 

7,1 

10,9 

Zysk G [dB] 

6,1 

6,8 

6,2 

6,1 

10,6 

Sprawność promieniowania η [%] 

87 

94 

87 

86 

97 

Szerokość pasma B [%] 

0,7 

1,1 

0,78 

0,7 

3,8 

Rozmiary 

W=4,92 cm 

L=3,28 cm 

a=4,92 cm 

a=6,57 cm 

b=1,84 cm 
a=0,82 cm 

b=8,9 cm 

a=4,45 cm 

Powierzchnia [cm

2

]

 

16,1 

23,3 

18,1 

10,6 

249,0 

 

background image

S

TRONA

 8 

Budowa anten mikropaskowych 

 

 

Przykłady  mniej  popularnych  wariantów  podstawowych  kształtów  elementów 

promieniujących pokazano na rys. 2.4.  

 

Rys. 2.4. Mniej popularne kształty elementów mikropaskowych 

 

Analizę  parametrów  elektrycznych  promienników  mikropaskowych  na  cienkim 

podłożu   można  przeprowadzić  w  oparciu  o  model  wnękowy[6,  9,  10,  11]  lub  linii 
transmisyjnej,  tradycyjny  [8]  lub  zmodyfikowany  [1].  Metoda  prądowa  nie  zdobyła  takiej 
popularności  do  liczenia  promienników  typu  łata  nad  ekranem,  gdyż  wymaga  zbyt  dużej 
mocy obliczeniowej w stosunku do postawionego zagadnienia.  Ponadto uzyskana dokładność 
obliczeń  impedancji  wejściowej  jest  porównywalna  (tylko  dla  cienkich  dielektryków 
h/λ<0,02).  Jednak  bez  względu  na  przyjęty  model  obliczeń  w  efekcie  i  tak  należy  stroić 
wykonaną strukturę w celu osiągnięcia wymaganych parametrów elektrycznych. 
 

Modele 

zastępcze 

anteny 

w postaci 

rezonatora 

wnękowego 

ze ściankami 

elektrycznymi  i magnetycznymi  lub  linii  transmisyjnej  obarczone  są  pewnym  błędem,  który  
wynika  z niedoskonałości  tych  modeli,  a także  z  uproszczeń.  Powoduje  to,  że  dokładność 
wyników obliczeniowych nie zawsze jest zadowalająca, a ponadto zakres stosowalności tych 
metod  jest  ograniczony  warunkiem  h/

λ

d

 < 0,02 (h - grubość  dielektryka, 

λ

d

 - długość  fali 

w dielektryku).  Wielu  autorów  na  użytek  inżynierski  wyznaczyło  wzory  algebraiczne 
ze współczynnikami  korekcyjnymi  uzyskanymi  w oparciu    o metody  numeryczne  lub 
empiryczne  pozwalające  z lepszą  dokładnością  wyznaczyć  częstotliwość  rezonansową  łaty,  
a  także  pozwalają  na  przekroczenie  warunku  h/

λ

d

 < 0,02.  Jest  to  tym  ważniejsze,  

że  najprostszą  metodą  poszerzenia  pasma  pracy  elementu  mikropaskowego  jest  zwiększenie 
grubości (w pewnym zakresie) dielektryka separującego łatę od ekranu.  
 

Dielektryk  użyty  do  budowy  promiennika  ma  kluczowy  wpływ  na  jego  parametry. 

Należy więc z dużą skrupulatnością prowadzić jego dobór poddając analizie takie parametry 
jak: 
 

ε

r

  -względna przenikalność elektryczna, 

tgδ   -straty w dielektryku, 

h  -grubość dielektryka 

 
 

Przenikalność  dielektryczna  jest  kluczowym  parametrem  podłoża,  od  którego  zależy 

częstotliwość rezonansowa łaty, dlatego przy wykonywaniu większej ilości elementów należy 
zapewnić jego stałość.  Ważny jest też dobór wielkości 

ε

r

,  gdyż ma on  wpływ na sprawność 

promieniowania.  Wybór  laminatu  o dużej  wartości  przenikalności  pozwala  zmniejszyć 
fizyczne  wymiary  elementu  jednakże  wymaga  większych  dokładności  trawienia 

background image

Budowa anten mikropaskowych 

S

TRONA

 9 

 

 

poszczególnych  elementów,  aby  zapewnić  powtarzalność  parametrów  polowych  i 
obwodowych  kolejnych  egzemplarzy  anteny.  Ponadto  zastosowanie  dielektryka  o  dużej 
przenikalności powoduje zawężenie pracy elementu promieniującego 
 

Stosowanie  w promiennikach  podłoży  o większych    przenikalnościach  powoduje 

również    zwiększoną  wzrost  zjawisk  związanych  z   generacją    fali  powierzchniowej 
w antenie,  przez  co  zmniejsza  się  zysk  promieniowania  elementu.  Fala  elektromagnetyczna 
nie jest bowiem wypromieniowywana w przestrzeń, lecz porusza się w warstwie dielektryka, 
gdzie jest wytracana.  
 

Wzrost grubości laminatu h ma wpływ na szerokość częstotliwościowego pasma pracy 

promiennika.  Niestety  poszerzanie  pasma  pracy  tą  metodą  jest  mocno  ograniczone,  gdyż 
wzrost  grubości  h  ma    również  wpływ  na  wzrost  zjawisk  związanych  z generacją  fali 
powierzchniowej.  Zbyt  duża  grubość  dielektryka  doprowadza  do  sytuacji  kiedy  antena 
przestaje  promieniować.  Oczywiście  granice  dopuszczalnej  grubości  dielektryka  oraz  jego 
przenikalności dielektrycznej zależą od częstotliwości z jaką będzie pracować promiennik.  
 

Z powyższego omówienia widać, że należy pogodzić ze sobą sprzeczne wymagania co 

do  parametrów  dielektryka.  Jedynym  jednoznacznym  parametrem  jest  stratność  dielektryka 
i powinna być ona bardzo niska. 
 

Obecnie  dobór  materiałów  na  anteny  mikropaskowe  jest  znacznie  ułatwiony,  gdyż 

wielu  producentów  dostarcza  na  rynek  gotowe  laminaty  o dobrych  i gwarantowanych 
parametrach.  
 

Parametry  promiennika  zależą  nie  tylko  od  podłoża  na  jakim  je  wykonano,  ale  jak 

wspomniano  wcześniej,  także  od  jego  kształtu.  Zjawiska  jakie  zachodzą  w antenie 
mikropaskowej,  które  omówiono  powyżej,  mają  różny  przebieg  i charakter  w zależności  od 
kształtu 

promiennika. 

Poniżej 

scharakteryzowano 

anteny 

mikropaskowe 

najpopularniejszych  kształtach  oraz  przedstawiono  zależności  na  wyznaczanie  ich 
częstotliwości rezonansowej wraz z  granicami ich stosowalności oraz dokładności. 

2.1.1.  Element prostokątny 

 

Prostokątny  element  promieniujący  jest  najczęściej  stosowany  w antenach 

mikropaskowych.  Jego  określenie  polega  na  podaniu  długości  L,  szerokości  W  oraz 
parametrów podłoża: względnej przenikalności elektrycznej 

ε

r

 i grubości  h (rys. 2.5). 

 

Pobudzany  jest  tak,  aby  pracował  z modem  fali    TM

10

  lub   TM

01

.  Umieszczenie 

punktu  zasilania  na  boku  W oznacza  ,  że  przy  modzie  TM

10

  promieniują    krawędzie  L,  

natomiast  przy  TM

01

   promieniują  krawędzie W.  Umożliwia  to  uzyskanie  dwóch  

ortogonalnych  polaryzacji.  Uzyskanie  polaryzacji  kołowej  wymaga  umieszczenia  punktu 
zasilania na przekątnej łaty lub zasilania jej na sąsiednich bokach z przesunięciem fazy o 90°. 
Wybór  sposobu  zasilania  zależy  od  wymaganej  dokładności  spolaryzowania  fali  oraz 
dopuszczalnej komplikacji układowej. Polaryzację  o lepszych parametrach zapewnia drugie 
rozwiązanie, lecz wymaga dodatkowego dzielnika mocy. 
 

Dla fali typu TM

01

 osiąga się najmniejszą dobroć układu Q

,

 a tym samym najszersze 

pasmo  pracy.  Przy  małych  wartościach    przenikalności 

ε

r

  i częstotliwościach  powyżej 

500 MHz  szerokość  pasma  wzrasta  wraz  ze wzrostem  grubości  h  i częstotliwością 
rezonansową.  Przy  zastosowaniu  podłoży  o dużych  wartościach  przenikalności 

ε

r

≥8 

zachowanie  to  nie  jest  jednoznaczne.  Charakterystyka  promieniowania  zasadniczo  nie  jest 
czuła  na  zmiany  parametru    W/L  i h,  ale  ulega  zmianie  wraz  z względną  przenikalnością 
dielektryczna podłoża 

ε

r

 

Impedancja  wejściowa  anteny  ściśle  zależy  od  częstotliwości  rezonansowej  oraz 

położenia  punktu  zasilania  elementu  (w  przypadku  sondy  współosiowej).  Impedancja 
wejściowa wzrasta wraz ze zbliżaniem się do krawędzi elementu i  osiąga największą wartość 
dla modu TM

10

background image

S

TRONA

 10 

Budowa anten mikropaskowych 

 

 

Y

X

Z

W

L

ε

r

h

Punkt zasilania

x

0

,y

0

 

Rys. 2.5. Geometria prostokątnego elementu mikropaskowego 

Wartość maksymalnej impedancji anteny można zwiększać poprzez skrócenie boku W anteny. 
Należy  jednak  pamiętać,  że  zbyt  mała  jego  długość  powoduje  obniżenie  sprawności 
promieniowania  anteny,  natomiast  zbyt  duża  sprzyja  generowaniu  wyższych  modów  fali. 
Optymalny wymiar boku W określa zależność [2] 

 

2

1

2

1

2

+

=

r

o

W

ε

λ

(2.1) 

2.1.2.  Częstotliwość rezonansowa łaty dla modelu wnęki rezonansowej 

 

Zależność  na  częstotliwość  rezonansową  f

ro 

dla  modelu  wnęki  rezonansowej  przy 

uwzględnieniu  efektów  brzegowych  takich  jak  promieniowanie  mocy  i moc  bierna  na 
obrzeżach wnęki związanych ze skończoną admitancją ścianek wnęki, opisuje zależność [3] 

 

(

)

eff

ro

L

L

c

f

ε

+

=

2

2

 , 

(2.2) 

 

(

)

(

)

+

+

+

=

813

.

0

262

.

0

258

.

0

3

.

0

412

.

0

h

W

h

W

h

L

eff

eff

ε

ε

(2.3) 

 

2

1

10

1

2

1

2

1

 +

+

+

=

W

h

r

r

eff

ε

ε

ε

(2.4) 

przy czym: 

L, W, h  - wymiary łaty jak na rys. 2.5, 

ε

- względna przenikalność elektryczna, 

- prędkość światła. 

2.1.3.  Element kołowy 

Geometria  elementu  kołowego  jest  określona  tylko  jednym  parametrem, 

promieniem a (rys. 2.6). 

background image

Budowa anten mikropaskowych 

S

TRONA

 11 

 

 

Y

X

Z

ε

r

h

Punkt zasilania

a

 

Rys. 2.6. Geometria kołowego elementu  mikropaskowego 

 

Elementy  kołowe  są  głównie  stosowane  podczas  pracy  z modami  TM

11

  i TM

21

 

(pierwszy  i drugi  rezonans).  Dla  modu  TM

11

  charakterystyka  promieniowania,  w dowolnej 

płaszczyźnie  przekroju  prostopadłej  do  powierzchni  elementu,  ma  kształt    funkcji 

( )

cos

n

a dla  modu  TM

21

  i wyższych  listek  główny  rozdwaja  się  dając  zero  charakterystyki 

promieniowania na kierunku prostopadłym do płaszczyzny elementu. 
 

Parametry takie jak dobroć, sprawność promieniowania zachowują się identycznie jak 

dla elementu prostokątnego. Impedancja wejściowa zależy od odległości punktu zasilającego 
od krawędzi elementu i maleje wraz z jej wzrostem. Wpływ na impedancję mają oczywiście 
również parametry geometryczne elementu, jak i parametry podłoża (

ε

r

, h). Kołowy element 

promieniujący  zasilany  w  jednym  punkcie  jest  źródłem  fali  elektromagnetycznej 
spolaryzowanej  liniowo.  Kołową  polaryzację  możemy  osiągnąć  stosując  zasilanie  w dwóch 
punktach położonych na wzajemnie prostopadłych średnicach  z  przesunięciem fazy zasilania 
o 90°. 
 

Wzory  algebraiczne  opisujące  związek  częstotliwości  rezonansowej  dla  modu  TM

11

 

i wymiarów  geometrycznych  podano  za  [4].  Jest  oczywiście  wiele  podejść  do  problemu 
algebraicznego  wyznaczenia  częstotliwości  rezonansowej  łaty  kołowej.  Jednak  po 
przeanalizowaniu zbieżności wyników obliczeń z pomiarami zamieszczono zależności dające 
wyniki z najmniejszym błędem. 
Częstotliwość rezonansową łaty określa wzór: 

 

f

r

ef

dyn

11

27 6177

=

.

π

ε

(2.5) 

w którym 

 

(

)

(

)

r

r

hr

r

h

h

r

ef

r

r

r

=

+







+

+

+

+



2

2

2

1 41

177

0 268

165

πε

ε

ε

ln

.

.

.

.

(2.6) 

 

(

)

(

)

ε

ε

ε

dyn

C r h

C r h

=

, ,

, ,

0

(2.7) 

 

(

)

(

)

(

)

C r h

r

h

r

r

h

h

r

r

r

r

, ,

.

ln

.

.

.

.

ε

ε ε π

ε

ε

ε

=

+







+

+

+

+



0 8525

2

1 41

1 77

0 268

1 65

2

0

0

(2.8) 

background image

S

TRONA

 12 

Budowa anten mikropaskowych 

 

 

 

(

)

C r h

r

h

r

r

h

h

r

, ,

.

ln

.

.

ε

ε π

ε

0

2

0

0

0 8525

2

318

1918

=

+







+

+



 , 

(2.9) 

r  -promień łaty, 

ε

-względna przenikalność elektryczna podłoża, 

ε

-przenikalność elektryczna próżni, 

h  -grubość podłoża. 

2.1.4.  Element trójkątny 

 

Trójkątny  element  promieniujący  jest  charakteryzowany  poprzez  podanie  długości 

jego  boku  a  (rys.  2.7).  Kształt  charakterystyki  promieniowania  nie  zależy  od  częstotliwości 
rezonansowej  i  wymiarów  elementu  promieniującego.  Maksimum  charakterystyki 
promieniowania  dla  modów  TM

11

  i TM

21 

występuje  na  kierunku  prostopadłym  do 

powierzchni  elementu.  W odróżnieniu  od  elementu  prostokątnego  dobroć  oraz  pasmo  pracy 
elementu  trójkątnego  zachowuje  się  w sposób  jednoznaczny  tzn.  dobroć  maleje,  a pasmo 
rośnie  wraz  ze wzrostem  grubości  laminatu  h  lub  spadkiem  przenikalności  dielektrycznej 
podłoża 

ε

r

 

Impedancja  elementu  promieniującego  jak  poprzednio,  zależy  od  wyboru  położenia 

punktu  zasilającego.  Dla  modów  fali  TM

10

,  i TM

21

  rezystancja  wejściowa  elementu  maleje 

ze wzrostem d, dla modu  TM

20

, początkowo maleje, osiągając minimum, a następnie rośnie. 

ε

r

t

linia zasilająca

d

X

Y

a

d

Z

Punkt
zasilania

Z

 

Rys. 2.7. Geometria trójkątnego elementu mikropaskowego 

 

Model  wnęki  rezonansowej,  jako  najbardziej  rozpowszechniony,  posłuży  także  jako 

podstawa do wyznaczenia częstotliwości rezonansowej elementu trójkątnego, która wynosi 

 

f

c

a

m

mn

n

m n

r

,

=

+

+

2

3

2

2

ε

(2.10) 

gdzie: m, n - wyznaczają numer modu fali z jakim ma pracować antena. 
 

Ponieważ idealne ścianki magnetyczne nie istnieją,  to otrzymane wyniki  teoretyczne 

są  obarczone  dużym  błędem.  Podobnie  jak  dla  elementu  kołowego    w literaturze  proponuje 
się  zastąpienie  we wzorze  na  częstotliwość  rezonansową    długości  rzeczywistej  boku 
elementu długością efektywną, tak więc wzór przybiera postać 

background image

Budowa anten mikropaskowych 

S

TRONA

 13 

 

 

 

f

c

a

m

mn

n

m n

eff

r

,

=

+

+

2

3

2

2

ε

(2.11) 

 

W  zależności  od  źródła podawane  są    różne  zależności  na  a

eff

.  Największą  zgodność 

na  częstotliwość  rezonansową  między  wartościami  zmierzonymi,  a wyliczonymi  można 
otrzymać z zależności [5]  

 

a

a

h

a

h

a

h

a

h

a

h

a

eff

r

r

r

=

+



 −



 +



 +



 −



1 1199

12 853

1

16 436

1

6 182

9 802

1

2

2

.

.

.

.

.

ε

ε

ε

.  (2.12) 

Powyższa  zależność  pozwala  na  wyznaczenie  częstotliwości  rezonansowej  dla  modu 
podstawowego  TM

10

  z błędem  nie  większym  niż  1%  przy  spełnieniu  warunku  h/λ

≤  0,2, 

a więc o rząd wyższym, niż przy standardowej metodzie wnęki. 
 

2.2.  Pasmo pracy anten mikropaskowych 

Szerokość  częstotliwościowego  pasma  pracy  anteny  definiuje  się  jako  przedział 

częstotliwości, w którym parametry obwodowe lub polowe zachowują pożądane wartości [6]. 
Definicja taka może być sformułowana w odniesieniu do: 
 
−  impedancji wejściowej anteny, 

−  zysku energetycznego,  

−  szerokości listka głównego charakterystyki promieniowania,  

−  poziomu listków bocznych, 

−  poziomu tłumienia składowej pola o polaryzacji ortogonalnej.  
 
W niniejszym opracowaniu jako częstotliwościowe pasmo pracy przyjęto definicję odnoszącą 
się do impedancji wejściowej anteny.  
Szerokość  pasma  pracy  B  definiuje  się  jako  przedział  częstotliwości,  w  którym  wejściowy 
współczynnik fali stojącej anteny (WFS) jest równy lub mniejszy od założonej wielkości S. 
Do  porównywania  częstotliwościowego  pasma  pracy  anten  mikropaskowych  pracujących  z 
różną częstotliwością środkową bardziej arbitralną definicją jest względne częstotliwościowe 
pasmo pracy  
Zakładając,  że  współczynnik  fali  stojącej  na  wejściu  anteny  spełnia  warunek  WFS≤S  
w  przedziale  częstotliwości  od  f

d

  do  f

g

,  a  jej  częstotliwość  rezonansowa  wynosi   f

r

,  

to względna szerokość częstotliwościowego pasma pracy anteny B wyraża się następująco 

 

B

f

f

f

g

d

r

[%]

=

⋅100%.  

(2.13) 

W  przypadku  wąskopasmowych,  jednowarstwowych  anten  mikropaskowych  impedancja 
wejściowa  w  okolicach  częstotliwości  rezonansowej  modu  podstawowego  TM

01

  zachowuje 

się podobnie jak impedancja pojedynczego równoległego obwodu  rezonansowego [6 ,3 , 7]. 
Jeżeli dodatkowo założymy, że dla częstotliwości rezonansowej  f

r

 antena jest dopasowana do 

źródła  sygnału,  to  szerokość  względnego  częstotliwościowego  pasma  pracy  można  zapisać 
wzorem [8] 

 

B

Q

S

S

[%]

=

1

1

100%  ,  

(2.14) 

w  którym  Q  oznacza  wypadkową  dobroć,  wyznaczoną  dla  wnękowego  modelu  zastępczego 
anteny  mikropaskowej  [6,  3,  7  ,9,  10,  11],  a  S  jest  wartością  graniczną  współczynnika  fali 
stojącej w pasmie B.  

background image

S

TRONA

 14 

Pasmo pracy 

 

 

Dobroć  wnęki  rezonansowej,  definiuje  się  jako  stosunek  energii  zgromadzonej  w  polu 
elektromagnetycznym wnęki do energii pochłoniętej przez straty wnęki. Zgodnie z definicją 
dobroć opisuje się następującą zależnością [8, 9]  

 

Q

f W

P

e

d

=

2

π

 ,  

(2.15) 

w której W

e

 jest średnią energią gromadzoną w jednym okresie, a P

d

 stanowi moc traconą na 

stratach  wnęki.  Parametry  modelu  wnękowego  anteny  mikropaskowej  mają  dobrą 
interpretację fizyczną, umożliwiającą między innymi wskazanie źródeł strat i oszacowanie ich 
wielkości. Wypadkowa dobroć Q wnęki jest związana ze stratami następującą zależnością 

 

1

1

1

1

1

Q

Q

Q

Q

Q

r

p

c

d

=

+

+

+

 ,  

(2.16) 

w której poszczególne składowe oznaczają:  

Q

r

 

- dobroć wnęki dla strat promieniowania,  

Q

p.

 

- dobroć wnęki dla strat promieniowania fali powierzchniowej, 

Q

c

 

- dobroć wnęki dla strat w przewodniku łaty promieniującej, 

Q

d

 

- dobroć wnęki dla strat w dielektryku. 

 
Wielkości Q

c

 i Q

d

 można oszacować z przybliżonych zależności [8] 

 

Q

h

c

=

2

0

ωµ σ

 ,  

(2.17) 

 

Q

tg

d

=

1

 

δ

 ,  

(2.18) 

w których:  

- jest grubością dielektryka, 

tgδ  - jest tangensem kąta strat w dielektryku, 
σ 

- jest przewodnością właściwą materiału, z którego wykonana jest łata promieniująca. 

 
Główne  składowe  dobroci  wnęki  Q

r

  i  Q

p

  można  wyznaczyć  z  zadowalającą  dokładnością 

tylko poprzez obliczenie wielkości mocy promieniowanej z całki powierzchniowej składowej 
radialnej wektora Poytinga w strefie pola dalekiego. 
Wypadkowa  dobroć  może  być  również  wyznaczona  na  podstawie  znajomości  efektywnego 
(wypadkowego)  tangensa  kąta  strat  wnęki  [9,  10],  reprezentującego  wszystkie  straty  w 
antenie mikropaskowej 

 

Q

tg

eff

=

1

 

δ

 . 

(2.19) 

Efektywny  tangens  kąta  strat  można  wyrazić  w  zależności  od  tangensa  kąta  strat 
w dielektryku,  grubości  dielektryka,  głębokości  wnikania  dla  przewodnika  łaty 
promieniującej  oraz  stosunku  mocy  promieniowanej  z  anteny  i  energii  zgromadzonej  we 
wnęce.  Przedstawiona  interpretacja  wypadkowej  dobroci  modelu  wnękowego,  umożliwia 
powiązanie  parametrów  anteny  mikropaskowej  z  szerokością  częstotliwościowego  pasma 
pracy.  
Jedynym  sposobem  poszerzenia  pasma  pracy  jest  zmniejszenie  dobroci  wnęki.  Można  to 
osiągnąć  zwiększając  jej  straty.  Najbardziej  korzystnym  rozwiązaniem  byłoby  zwiększenie 
tylko  strat  promieniowania.  Niestety  wraz  ze  wzrostem  strat  promieniowania  rosną  również 

background image

Pasmo pracy 

S

TRONA

 15 

 

 

straty  związane  z  promieniowaniem  fali  powierzchniowej.  Straty  w  antenie  rosną 
proporcjonalnie 

rozmiarami 

anteny. 

przypadku 

jednowarstwowych 

anten 

mikropaskowych  szerokość  pasma  pracy  zależy  od  parametrów  podłoża  i  rozmiarów  łaty 
promieniującej.  Ze  względów  praktycznych  modyfikacji  można  poddawać  tylko  parametry 
podłoża anteny mikropaskowej. Szerokość pasma rośnie wraz ze wzrostem grubości podłoża, 
a maleje wraz ze wzrostem jego względnej przenikalności elektrycznej. 
 

3.  Materiały wykorzystywane do budowy anten mikropaskowych 

Dobór materiałów wchodzących w skład mikropaskowych struktur promieniujących jest 

jednym  z  najważniejszych  zagadnień  technologicznych.  Parametry  zastosowanych 
materiałów bezpośrednio wpływają na parametry elektryczne anten mikropaskowych.  
Od  ich  właściwości  elektrycznych  zależą  własności  impedancyjne,  polowe,  mocowe  oraz 
wymiary  anteny.  Związek  ten  jest  szczególnie  ważny  ze  względu  na  rolę  dielektrycznego 
podłoża w zjawiskach fizycznych zachodzących w antenie. 
W  mikropaskowych  antenach  wykorzystuje  się  różne  materiały  dielektryczne,  których 
zasadniczą cechą są małe straty elektryczne (wyrażone parametrem tgδ). Produkowane są one 
przeważnie  w  postaci  płyt  o  różnych  grubościach  z  metalizowaną  powierzchnią  jedno  lub 
dwustronnie.  W  zależności  od  parametrów  elektrycznych  oraz  właściwości  mechanicznych 
można je podzielić na cztery grupy zastosowań: 
 
−  laminaty dla elementów promieniujących, 

−  laminaty na sieć zasilającą, 

−  materiały na powłoki ochronne, 

−  materiały na elementy mechaniczne struktur promieniujących. 
 
 

Konstruując mikropaskowy układ antenowy wraz z siecią zasilającą należy mieć na 

uwadze  odmienność  wymagań  stawianych  przez  optymalne  projektowanie  promienników  i 
sieci  zasilającej.  Promienniki  mikropaskowe  o  szerokim  względnym  częstotliwościowym 
paśmie  pracy  wymagają  grubych  podłoży  o  niskiej  względnej  przenikalności  elektrycznej. 
Pojedyncze  podłoże  może  być  również  zastąpione  strukturą  wielowarstwową,  której 
zastępcza przenikalność elektryczna musi być również jak najmniejsza.  
Układy  formowania  wiązki  złożone  z  dzielników  oraz  linii  mikropaskowych  powinny  być 
wykonane  na  cienkim  podłożu,  aby  zminimalizować  niepożądane  promieniowanie.  Wybór 
konkretnej  przenikalności  elektrycznej  w  przypadku  sieci  zasilającej  nie  jest  już  jednak  tak 
jednoznaczny  jak  w  przypadku  promienników.  Duża  przenikalność  elektryczna  podłoża 
umożliwia  uzyskanie  małych  rozmiarów  elementów  wchodzących  w  skład  sieci  zasilającej. 
Powoduje  to  jednak  zwiększone  wymagania  na  tolerancję  wykonania  sieci  zasilającej.  W 
wyniku  czego  fizyczne  wykonanie  pewnych  elementów  sieci  jest  niemożliwe  lub  skutkuje 
dużym  odrzutem  w  trakcie  produkcji.  Ponadto  podłoża  o  dużej  przenikalności  elektrycznej 
charakteryzują  się  większymi  stratami.  W  wyniku  czego  spada    zysk  energetyczny  układu 
antenowego  Zastosowanie  podłoży  o  niskiej  przenikalności  elektrycznej  pozwala  uniknąć 
problemów  technologicznych.  Z  reguły  jednak  ograniczona  powierzchnia  przeznaczona  na 
sieć 

zasilającą 

wymusza 

kompromis 

pomiędzy 

miniaturyzacją, 

wymogami  

technologicznymi.  
 

Bardzo  istotnym  parametrem  materiałów  dielektrycznych  używanych  w  układach 

mikrofalowych  jest  powtarzalność  ich  parametrów  elektrycznych.  Rynek  laminatów 
mikrofalowych  jest  bardzo  bogaty.  Jednak  na  uwagę  zasługuje  tylko  kilku  wiodących 
producentów, których laminaty są dostosowane do wymagań stawianym przez technikę anten 
mikropaskowych.  Nazwy  czołowych  producentów  wraz  z  nazwami  wybranych  produktów 
zebrano w tabeli 3.1. 

background image

S

TRONA

 16 

Materiały wykorzystywane do budowy anten mikropaskowych 

 

 
 

Tabela 3.1. Wykaz wybranych producentów laminatów mikrofalowych 

Producent 

Laminat 

Grubość 

[mm] 

Stała dielektryczna 

εεεε

r

 

Współczynni

k strat 

tg

δ 

Crane 

CuFlon CF-A62-7-7 

1,57 

2,1 

0,00045 

Rogers 

RT Duroit 5880 
Ultralam 2000 
RO 4003 
RO4350 

0,79 
0,762 
0,81 
0,762 

2,2

±

0,02 

2,4

±

0,04 

3,38

±

0,05 

3,48

±

0,05 

0,0009 
0,0019 
0,002 
0,002 

3M AG 

CuClad 250 LX 0300 55 55 
CuClad 250 LX 0600 55 55 

0,762 
1,524 

2,55

±

0,04 

2,55

±

0,04 

0,0021 
0,0021 

Taconic 

TLY-5A-0310 CH/CH 
TLX-8-0310-CH/Ch 

0,79 
0,79 

2,17

±

0,02 

2,55

±

0,04 

0,0009 
0,0019 

GIL 

MC-5 
MC-5 
GML 1000 
GML 1000 

0,762 
1,524 
0,762 
1,524 

3,40

±

0,05 

3,20

±

0,05 

3,20

±

0,05 

3,05

±

0,05 

0,012 
0,011 
0,003 
0,003 

Można wyróżnić kilka typów produkowanych laminatów , których zastosowanie jest możliwe 
w antenach mikropaskowych i ich sieciach zasilających: 
 
−  laminaty teflonowe ε

r

≈2.1, 

−  laminaty teflonowo-szklane ε

r

≈2.2÷2,6, 

−  laminaty teflonowo-ceramiczne, ε

r

≈2.6÷6, 

−  laminaty ceramiczne ε

r

≈10, 

−  laminaty poliestrowo-szklane ε

r

≈3÷3,6. 

 
 

Laminaty  do  zastosowań  mikrofalowych  produkowane  są  przeważnie  na  bazie 

teflonu,  który  ma  najniższe  straty  elektryczne.  Jednak  mają  one  niekorzystne  właściwości 
mechaniczne  (laminaty  są  miękkie,  a  do  ich  klejenia  trzeba  używać  specjalnych  folii-tzw. 
prepregów) oraz trudne w obróbce elektrochemicznej (metalizacja otworów). Poważną wadą 
teflonu jest skokowa zmiana wartości stałej dielektrycznej w temperaturze między 20°a 30°C. 
Ponadto koszt takich laminatów jest stosunkowo wysoki.  
Wśród  producentów  na  uwagę  zasługuje  firma  GIL,  która  wprowadziła  niedawno  na  rynek 
laminat  poliestrowo-szklany  (GML-1000)  do  zastosowań  w  antenach  do  systemów  
komunikacji  ruchowej.  Ma  on  zastąpić  na  rynku  laminat  FR-4  firmy  Isola.  Ze  względu  na 
swoje  parametry  elektryczne  laminat  GML1000  stanowi  tańszą  alternatywę  również  dla 
laminatów teflonowych, szczególnie w aplikacjach poniżej 10 GHz.  
 

W  kraju  produkowane  są  tylko  laminaty  szklano-epoksydowe.  Ze  względu  na 

swoje  właściwości  elektryczne  mogłyby  być  one  stosowane  w  antenach  pracujących  do 
pasma  L.  Niestety  producenci  nie  gwarantują  powtarzalności  parametrów  elektrycznych 
laminatu. Potwierdziły to również wykonane pomiary laminatu. 
Do  pozostałych  materiałów  stosowanych  w  antenach  mikropaskowych  należy  zaliczyć 
materiały  wykorzystywane  do  wykonania  powłok  zabezpieczających  oraz    elementów 
konstrukcyjnych struktur promieniujących. 

Zabezpieczenie  zewnętrzne  anten  mikropaskowych  przed  działaniem  czynników 

atmosferycznych i mechanicznych może być wykonane przez: 
−  naniesienie powłoki lakierniczej na laminat 

−  powleczenie laminatu folią ochronną  

−  umieszczenie osłony nad anteną. 
 

W  wielowarstwowych  strukturach  promieniujących  konieczne  jest  zastosowanie 

elementów dystansujących poszczególne warstwy laminatów na których naniesiony jest wzór 

background image

Materiały wykorzystywane do budowy anten mikropaskowych 

S

TRONA

 17 

 

 

z elementami mikrofalowymi. Można to zrobić przy pomocy dielektrycznych kołków w kilku 
punktach  dielektrykiem    separującym  poszczególne  płyty  laminatu  jest  wtedy  powietrze. 
Ponieważ odległość pomiędzy poszczególnymi płytkami drukowanymi jest zazwyczaj bardzo 
istotna,  rozwiązanie tego typu jest więc niewygodne ze względu na giętkość płyt laminatu i 
konieczność  podparcia  go  w  wielu  punktach.  Lepszym  rozwiązaniem  jest  wprowadzenie 
materiału  dielektrycznego  w  postaci  płyty,  która  zapewni  podparcie  laminatu  na  całej 
powierzchni. 
 

Do głównych skutków ubocznych zastosowania zabezpieczenia oraz wprowadzenie 

w  strukturę  promieniującą  dielektrycznych  elementów  konstrukcyjnych  należą  zmiany 
impedancji  wejściowej  anteny,  przesunięcie  się  częstotliwościowego  pasma  pracy 
określonego  przez  kryterium  dopasowania  (WFS)  oraz  wprowadzenie  dodatkowego 
tłumienia. 
Do  najczęściej  stosowanych  materiałów  konstrukcyjnych  stosowanych  w  antenach 
mikropaskowych  na  elementy  dystansujące  i  osłony  zalicza  się  wszelkiego  rodzaju  pianki 
oraz wypełniacze komórkowe typu plaster miodu. 
W  czystej  formie  materiały  te  stosowane  są  one  raczej  sporadycznie  .  Najczęściej  służą  do 
wykonania  różnego  rodzaju  struktur  kompozytowych  (warstwowych),  które  osiągają  dużą 
wytrzymałość mechaniczną, a zarazem są bardzo lekkie. Technologia ta jest stosowana od lat 
w przemyśle lotniczym do produkcji różnego typu elementów konstrukcyjnych oraz osłon w 
samolotach. 
W  uproszczeniu  struktura  kompozytowa  składa  się  z  wypełniacza  oklejonego  z  obu  stron 
okładkami  w  postaci  cienkiej  płyty.  Poszczególne  elementy  struktury  kompozytowej 
posiadają  małą  wytrzymałość  mechaniczną,  dopiero  po  sklejeniu  uzyskują  wysoką 
wytrzymałość  mechaniczną.  Jako  okładki  struktury  kompozytowej  mogą  występować 
bezpośrednio laminaty mikrofalowe z naniesionym układem ścieżek i promienników.  
Struktury kompozytowe stanowią klucz do produkcji anten mikropaskowych o poszerzonym 
paśmie pracy, które z natury mają znacznie wyższy profil od wąskopasmowych, Umożliwiają 
budowę anten o zwartej płaskiej lub konforemnej konstrukcji, małej wadze, a zarazem bardzo 
wytrzymałych  na  narażenia  klimatyczne  i  mechaniczne.  Ponadto  anteny  wykonane  w 
technologii kompozytowej mogą mieć konstrukcję samonośną. 

Wiodącym  producentem  pianek  jest  firma  ROHM  GMBH.  Produkuje  ona  różnego 

typu  pianki  pod  nazwą  ROHACELL,  które  spełniają  wymagania  stawiane  materiałom 
mikrofalowym.  Charakteryzuje  się  niską  przenikalnością  elektryczną  (ε

r

≈1.05)  oraz  niskim 

współczynnikiem  strat  elektrycznych  (tgδ=0.0008).  Ze  względu  na  swoje  właściwości 
mechaniczne może być stosowana w strukturach kompozytowych. Jej podstawową wadą jest 
brak odporności na bezpośrednie działanie wody oraz wysoką temperaturę.  

 

Rys. 3.1. Struktura kompozytowa 

 

Innym  materiałem  wykorzystywanym  w  strukturach  kompozytowych  są  wypełniacze 

komórkowe  typu  plaster  miodu.  Materiał  wykorzystywany  do  produkcji  wypełniaczy 

background image

S

TRONA

 18 

Materiały wykorzystywane do budowy anten mikropaskowych 

 

komórkowych może być różny: papier aramidowy, capton, aluminium. Najodpowiedniejszy z 
punktu widzenia zastosowania na osłony oraz przekładki dystansujące jest papier aramidowy. 
Wiodącymi producentami w tej dziedzinie jest  firma HEXEL w Stanach Zjednoczonych oraz 
EURO-COMPOSITE z siedzibą w Luksemburgu. Na rynku dostępne są wypełniacze o różnej 
wysokości  oraz  wielkości  oczek.  Ze  względu  na  znikomą  ilość  dielektryka  w  objętości 
wypełniacza  (większość  stanowi  powietrze),  materiały  te  charakteryzują  się  niską 
przenikalnością elektryczną oraz małymi stratami elektrycznymi. 
 
 

Parametry  elektryczne  laminatów  mikrofalowych  są  podawane  przez  producentów  dla 

wybranej  częstotliwości  i  temperatury.  Parametry  elektryczne  materiałów  zastosowanych  w 
antenie wpływają bezpośrednio na parametry polowe i obwodowe anten mikropaskowych.  
Ponieważ antena może pracować w różnych warunkach ( pasmo częstotliwości , maksymalny 
zakres  zmian  temperatury),  dlatego  przed  zastosowaniem  należy  precyzyjnie  wyznaczyć 
parametry elektryczne materiałów w sposób eksperymentalny. 
 
 

Wyniki pomiarów własności elektrycznych laminatów są rzadko spotykane w literaturze. 

Standardowo  przy  projektowaniu  anten  mikropaskowych  stosuje  się  wartości  parametrów 
elektrycznych  laminatu  podanych  przez  producenta.  Jednak  znajomość  rzeczywistych 
wartości  parametrów  elektrycznych  szczególnie  w  funkcji  temperatury  ma  duże  znaczenie 
przy  projektowaniu  anten  drukowanych  oraz  elementów  mikrofalowych  (sprzęgacze  , 
dzielniki mocy) wchodzących w skład układu antenowego.  
 

Na  rys.  3.2-rys.  3.10  zamieszczone  zostały  wyniki  pomiarów  wybranych,  których 

pomiary  były  wykonane  w  Instytucie  Chemii  Uniwersytetu  Wrocławskiego  pod  kierunkiem 
prof. Huberta Kołodzieja. 
 

Pomiary  dotyczyły  względnej  przenikalności  elektrycznej  oraz  współczynnika  strat. 

Wartości  poszczególnych  parametrów  elektrycznych  zostały  wyliczone  na  podstawie 
pomiarów zespolonej przenikalności elektrycznej, które zostały wykonane metodą skupionej 
pojemności  [12].  Dokładność  pomiaru  składowej  rzeczywistej 

ε

r

’  wynosi  2%  natomiast 

składowej urojonej 

ε

r

’’ nie przekracza 5%.  

 

Na  przedstawionych  wynikach  stałej  przenikalności  dielektrycznej  oraz  strat 

elektrycznych widać, że ich wartości zmieniają się w funkcji temperatury. Producenci podają 
zazwyczaj  wartości  parametrów  elektrycznych  laminatów  tylko  dla  temperatury  25°C. 
Przyjmując  więc  dane  producenta,  może  okazać  się  że  zaprojektowana  antena  będzie 
pracować niepoprawnie w niskich temperaturach lub w miejscu mocno nasłonecznionym. 
Znając  rzeczywiste  parametry  laminatu  można  zaprojektować  antenę  pewnym  zapasem  (np. 
szersze  pasmo)  tak,  aby  przy  zmianie  temperatury  antena  nie  utraciła  wymaganego 
dopasowania w paśmie. 
 

Jako  przykład  konieczności  weryfikacji  parametrów  elektrycznych  podano  laminat 

epoksydowo-szklany  krajowej  produkcji.  Badaniu  poddano  trzy  partie  laminatu.  Widać,  że 
przenikalność elektryczna partii 3 gwałtownie zmienia się w temperaturze 45 °C. 
Według  danych  producenta  laminat  spełnia  parametry  Normy  IEC249-1,która  określa  że 
pomiar  przenikalności  dokonuje  w  temperaturze  18-28 °C,  jednak  nie  nadaje  się  on  do 
zastosowań antenowych.