Простая патч-антенна на PCB или можно ли свободно применять текстолит?

Многие анонимы и пользователи нашего сайта пытаются изготовить конструкции проволочных антенн, в частности конструкцию антенны Харченко, на печатной плате. Чаще всего эти попытки оканчиваются неудачно, о чем пишется в комментах и на форуме нашего сайта, хотя есть и удачные попытки, как описанная в статье на Хабре. Но несмотря на такие удачные попытки, реконструкция проволочных антенн на печатной плате некорректна. Далее мы рассмотрим почему. Кроме того, для любителей текстолита в конце статьи предлагается простая и достаточно эффективная конструкция PCB патч-антенны.

Обычно, перенося конструкцию проволочной антенны на печатную плату, радиолюбитель не учитывает влияние диэлектрика подложки, приравнивая подложку к воздуху. А зачем учитывать? Она же ток не проводит, радиопрозрачна, имеет малую толщину, намного меньше длины волны. Аргумент? Аргумент. Но с другой стороны, стеклотекстолит имеет высокое значение диэлектрической проницаемости и поэтому длина волны в нем примерно в два раза короче чем в воздухе. Из-за этого, чтобы попасть в резонанс, необходимо существенно уменьшать размеры печатной рамки той же Харченко. Меняется и расстояние до рефлектора. На частотах СВЧ это особенно заметно. Поэтому механический перенос размеров проволочной антенны (да и не только проволочной) на печатную плату невозможен в основном не по причине превращения круглого проводника в плоский, а из-за влияния подложки. Стоит вспомнить, что на СВЧ существует целый класс диэлектрических антенн, в которых основную роль в усилении антенны выполняют именно диэлектрические детали конструкции.

Давайте в качестве примера для иллюстрации серьезного влияния подложки на характеристики антенны возьмем простую патч-антенну на PCB для Wi-Fi. Антенна изготавливается из двух кусков одностороннего фольгированного стеклотекстолита RF4 с толщиной подложки 1,5 мм. Один кусок используется как рефлектор, на втором вытравливается круглый патч, который используется как излучающий элемент. Оба этих куска разделяются воздушным промежутком.

Антенна имеет два конструктивных варианта:

• Вариант1 - Печатный патч располагается в сторону источника (металлизацией наружу);
• Вариант2 - Печатный патч располагается в сторону рефлектора (металлизацией внутрь);.

В первом случае PCB патч приклеивается по углам к рефлектору четырьмя кусочками пенопласта 10x10x6 мм. Во втором случае используется металлическая стойка по центру конструкции высотой 7 мм и Ø3..4 мм. Центр патча в любом случае электрически соединяется с рефлектором. В первом случае кусочком проволоки Ø0,5..1 мм, припаянной между патчем и рефлектором в центре конструкции, во втором случае стойкой. Это делается в целях защиты оборудования от атмосферной статики. Запитывается патч с помощью пигтейла с коаксиальным кабелем RG178 или RG316. Данные кабели имеют фторопластовую термостойкую внутреннюю изоляцию, которая не плавится при пайке. Кабель заводится сзади, перпендикулярно рефлектору через отверстие напротив точки подключения. Оплетка припаивается к рефлектору, центральная жила к патчу. При желании в точке подключения можно установить разъем SMA.

Расчетное усиление антенны 8,4 дБи, ширина основного лепестка около 60°.Полоса пропускания по уровню КСВ<2 около 240 МГц, что в принципе могло бы способствовать неплохой повторяемости антенны при аккуратном изготовлении. В пределах Wi-Fi диапазона КСВ не превышает 1,5.

Как мы видим, оба варианта заметно отличаются своими оптимальными размерами, особенно диаметром патча. И это происходит только из-за влияния диэлектрика. Причем диэлектрик оказывает влияние не только в районе самого патча, но и за его пределами ("пустые" протравленные части квадратной платы). В профессиональных антеннах применяются специальные подложки с нормированными характеристиками на СВЧ. У стеклотекстолита, который попадает в руки радиолюбителя, такого нормирования нет и он имеет широкий диапазон разброса характеристик. Как диэлектрической проницаемости, так и тангенса угла потерь. Поэтому изготовление любого из двух вариантов подобной простой антенны из "бытового" текстолита имеет очень плохую повторяемость. Это своего рода игра в кости. Повторение более сложных печатных конструкций вообще не имеет смысла. Кроме того на частотах СВЧ текстолит вносит дополнительные существенные потери, заметно снижающие КПД антенны и приводящие к снижению SNR. А этот параметр чаще всего имеет решающее значение для достижения нужной скорости обмена данными с базой. Полностью избежать этих трудностей позволяет полный отказ от текстолита и изготовление подобных антенн из жести. Некоторые из таких конструкций смотрите по ссылкам ниже.

Что же делать тем радиолюбителям, которым работать с текстолитом намного комфортнее, чем гнуть проволочную рамку или работать с жестью? Действенным способом, если не полностью избежать, то хотя бы максимально нивелировать влияние разброса параметров подложки и улучшить повторяемость антенны является применение стеклотекстолита с двусторонней металлизацией. Расчеты в симуляторе показывают, что в этом случае для электромагнитной волны патч "выглядит" почти как сплошной металлический диск. Все дело в скин-эффекте, при котором токи протекают только в тонком поверхностном слое проводника, а что находится в его середине не имеет значения. Это может быть и диэлектрик. Сам же диэлектрик экранирован и его свойства не влияют на характеристики антенны. При этом очень важно не вытравливать диск на обоих сторонах патча, как мы делали в конструкциях, рассмотренных выше, а вырезать круг целиком. К рефлектору он крепится центральной стойкой как в варианте 2. При сборке антенны важно обеспечить контакт как несущей стойки, так и центральной жилы пигтейла с обеими сторонами патча при помощи заклепок (пистонов). Толщина текстолита в этой конструкции 0,5 мм. Расчетное усиление антенны 9,3 дБ, подавление заднего лепестка не хуже 16 дБ, входное сопротивление 50 Ом, ширина главного лепестка около 60°. Все размеры в миллиметрах. По своим характеристикам она не хуже проволочной антенны Харченко и даже обладает рядом преимуществ:

1. Простота изготовления. Вырезать круг несколько проще чем чертить и вытравливать какие-то сложные фигуры, хотя бы те же ромбы от антенны Харченко.
2. Антенна имеет большую площадь излучающего элемента. При толщине скин-слоя на Wi-Fi 1..2 мкм толщины фольги 35 мкм более чем достаточно. КПД антенны не хуже 96% и экранированный диэлектрик подложки на него не влияет.
3. Простота подключения к фидеру. Не требуется никаких схем согласования и симметрирования. Всевозможные петли из коаксиального кабеля на таких частотах очень сложно аккуратно изготовить не ухудшив существенно характеристики антенны. Здесь этого нет.
4. Еще раз обращаем внимание на важность повторяемости конструкции, которая здесь на порядок лучше.

Для рефлектора можно брать и односторонний текстолит, располагая его конечно же металлизированной стороной к патчу.  Кроме того для изготовления рефлектора можно использовать любой подходящий материал. Пигтейл или фидер подключается как и в конструкциях описанных выше. Делать металлизацию краев патча нет необходимости. Расчеты показывают, что замена патча с не металлизированными краями на сплошной металлический диск такой же толщины незначительно влияет на характеристики антенны:По результатам моделирования многих других конструкций из жести, которые представлены у нас на сайте, например «антенны-пушки», можно прийти к выводу, что замена сплошного металла на двухсторонний стеклотекстолит вполне допустима. Причем в случае «пушки» и других относительно широкополосных антенн характеристики антенны меняются еще в меньшей степени чем в случае нашего примера текстолитовой Wi-Fi антенны.

Ссылки по теме:

1. Патч антенна. Основы теории.
2. Антенна Харченко на PCB от Хабра.
3. Биквадрат (антенна Харченко) из текстолита. Обсуждение на lan23.
4. «Обрезанная пушка» из консервной банки с усилением 8.5 dBi;
5. Антенна Батвинг для 3G/4G диапазонов;
6. Антенна "Сдвоенный Квадроэллипс" для 3G/4G диапазонов с усилением более 14 dBi.