Патч антенна круговой поляризации

Вашему вниманию предлагается вариант простой патч антенны для GPS навигации. Такая антенна, как известно, должна иметь круговую поляризацию. В данной конструкции это достигается обрезанием углов у квадратного патча. Но довольно много радиолюбителей имеют трудности с пониманием круговой поляризации. При каких условиях она возникает? Как отличить RHCP от LHCP? Тем более совершенно не очевидно как получается круговая поляризация в квадратном патче с обрезанными углами. Откуда ей взяться? В нем же нет ничего круглого! В этой статье мы постарались по возможности простым языком прояснить эти вопросы, поэтому она носит больше теоретический, чем практический характер...

Как образуется круговая поляризация в спиральной антенне и в подобных ей спиралях как бы интуитивно и по умозрительной логике понятно. Но круговую поляризацию можно получить используя две антенны с линейной поляризацией, например диполи. Их располагают перпендикулярно друг другу и запитывают со сдвигом фаз 90°, так называемыми ортогональными модами. Проще говоря, одну — синусом, вторую — косинусом. Такая система диполей называется турникетной антенной (фрагмент 1 на изображении).

Система из двух линейных диполей с круговой поляризацией

Как известно, вектор тока в линейном диполе движется синхронно с вектором электрического поля Е (смотрите на анимации). Здесь мы имеем два диполя. При суперпозиции синуса и косинуса суммарный вектор вращается по кругу, это наглядно видно вот на этой анимации. Таким образом, воображаемый суммарный вектор направления тока в такой системе диполей, такой себе "ток смещения" тоже вращается по кругу, расположенному в плоскости диполей, и турникетная антенна излучает волну с вращающейся (круговой) поляризацией. Запомним этот признак круговой поляризации. Еще один важный момент состоит в том, что такую систему диполей можно повернуть на любой угол вокруг вектора распространения волны Z (фрагмент 2 на изображении), изменится только начальная фаза, но вращение суммарного вектора останется таким же. Это свойство как раз и приносит пользу при связи с движущимися объектами.

Существует способ как запитать такую систему диполей от одного источника. Для этого один диполь делают немного короче, а второй немного длиннее, сдвигая их резонансы вверх и вниз от рабочей частоты (фрагмент 3 на изображении). При этом укороченный диполь1 на рабочей частоте имеет емкостную составляющую входного импеданса и фаза тока опережает напряжение на 45°. Более длинный диполь2 имеет индуктивную составляющую входного импеданса и ток в нем отстает от напряжения на 45°. При этом взаимно фазы токов в диполях отличаются на 90°, что нам и нужно.

Наш квадратный патч можно рассматривать как своего рода «двумерный» диполь, который, в свою очередь можно представить набором бесконечного множества не только продольных и поперечных линейных диполей, но диполей по диагоналям, да и вообще под любым углом. Тогда представим, что патч является комбинацией двух взаимно перпендикулярных диполей, расположенных по диагоналям. Как мы отметили выше, для круговой поляризации как повернута система ортогональных диполей не имеет значения. В этом случае обрезав углы по одной из диагоналей, мы сделаем один такой диполь короче другого. При этом мы можем достичь условий описанных в предыдущем параграфе, и патч будет излучать волну вращающейся поляризации. Несмотря на некоторую примитивность такого описания работы антенны, оно довольно верно отображает реальность. Это видно хотя бы из анимации. Мы видим, что векторы направления поверхностного тока патча вращаются, а это есть первый признак круговой поляризации, который выше по тексту я советовал вам запомнить. Только здесь мы видим не какой-то там виртуальный "ток смещения", а вполне реальные токи, текущие по внутренней поверхности патча. Если мы переместим источник питания на горизонтальную ось или (что тоже самое) обрежем углы на другой диагонали — направление вращения изменится на противоположное. На основании понятия «двумерный» диполь, у читателя может возникнуть неверное понимание принципа излучения патч-антенны. Ведь у двухэлементной Яги тоже есть диполь и рефлектор. Причем у Яги диполь может излучать и без рефлектора. В случае патч-антенны «двумерный» диполь не может правильно работать без рефлектора, потому что рефлектор является неотъемлемой частью излучающего элемента антенны. Это проще понять если представлять антенну как воздушную рамку с «магнитным током». Это представление подробно описано здесь.

Как определить какая это круговая поляризация? Какое направление вращения, RHCP или LHCP? Говоря просто, RHCP соответствует правосторонней резьбе, а LHCP — левосторонней. Кто занимается ремонтом и самоделками в своем гараже, тот может применять свои способы определения в какую сторону нужно крутить гайку по такой резьбе, чтобы она двигалась в нужном направлении. Это направление совпадает с направлением распространения волны. Всем остальным предлагаем изначальный способ определения, от которого собственно и пошли названия Right Hand и Left Hand Circular Polarization. Если мы возьмем ладонь левой руки и сложим пальцы так, чтобы большой палец указывал в направлении движения электромагнитной волны, а остальные пальцы указывали в сторону вращения вектора Е, то мы имеем дело с левосторонней поляризацией, LHCP. Если это сделать не удалось, значит удастся с правой рукой и поляризация у нас RHCP. Попробуйте проделать это с анимацией токов патча, учитывая что волна распространяется от патча в нашу сторону. Согнув нужным образом правую ладонь, чтобы большой палец смотрел в лицо, мы определим, что патч излучает волну правосторонней поляризации. Как известно, для спутниковой навигации принята именно такая. Таким же образом с помощью правой руки RHCP определяется и по второй простой анимации вращения вектора Е в пространстве.

Конструктивно антенна состоит из двух квадратных пластин из любого подходящего материала. Одна является рефлектором, из второй изготавливается патч со срезанными углами. Размеры представлены на изображении ниже. Обе пластины соединены по центру с помощью диэлектрической стойки. Расстояние от патча до рефлектора h=5 мм. На расстоянии 19,5 мм от центра по вертикальной оси симметрии на рефлекторе устанавливается N-коннектор, центральный пин которого припаивается к патчу.Усиление антенны около 9,5 dBi. Поляризационная развязка по направлению вращения не хуже 20 дБ. Полоса пропускания по критерию Axial Ratio < 3 dB около 16 МГц. Основные характеристики антенны представлены на следующих диаграммах (кликните на изображение для увеличения):

Характеристики антенны

Входной импеданс	КСВ
Диаграмма направленности	Axial Ratio dB

На графиках импеданса и КСВ отчетливо видно два резонанса, так же как у системы из двух диполей разной длины. Одним из основных параметров антенн с круговой поляризацией является осевое поляризационное отношение — Axial Ratio (AR). С определением этого параметра можно ознакомиться в статье об антенне «Клевер». Отметим только, что этот параметр зависит как от частоты, так и от угла места. Из характеристик видно, что критически важным параметром антенны как раз является полоса пропускания по AR, которая намного меньше полосы пропускания по КСВ и едва хватает для GPS L1 band.

В заключении отметим, что обрезание углов не единственный способ заставить патч излучать волну вращающейся поляризации. Этих способов вагон и маленькая тележка. Можно не только обрезать угол, но и нарастить его. Можно прорезать слот в середине патча. Можно использовать прямоугольный патч, а для согласования с фидером сместить источник с оси симметрии к диагонали. В принципе патч можно использовать любой формы, чаще всего берут круг или эллипс, как наиболее изученные. Это еще не считая канонического способа с двумя источниками с ортогональными модами. Да и не только с двумя, можно и четыре источника. Большинство таких конструкций рассчитано для печатных плат, что в радиолюбительской практике, с доступными материалами подложки не применимо. Все эти хитрости в первую очередь имеют целью расширить довольно узкую полосу пропускания по AR.

Ссылки по теме:

• Диаграмма направленности и поляризация патч антенны - DL2KQ, выдержка из 6-го тома сборника И.Гончаренко "Антенны КВ и УКВ";
• Патч-антенна FPV 1,2 ГГц;
• Облучатель круговой поляризации Wi-Fi 2400 на спутниковую тарелку - форум Lan23;
• Антенны волновой канал 145 и 435 МГц с круговой поляризацией - RA6FOO;