Расчет патч-антенны начинается с двух параметров — рабочей частоты и диэлектрической проницаемости подложки, и ошибка даже в одном из них смещает резонанс готовой антенны на десятки мегагерц. Онлайн-калькулятор патч-антенны избавляет от ручных вычислений, но результат будет верным только при правильных исходных данных. Поэтому прежде чем вводить цифры, нужно понимать, что именно считает калькулятор и откуда берутся значения.
Патч-антенна (микрополосковая антенна) — это металлический прямоугольник на диэлектрической подложке с металлизированной обратной стороной. Такие антенны массово применяются в GPS-приемниках, Wi-Fi-модулях, дронах и радиолюбительских конструкциях, потому что их легко изготовить методом фотолитографии или даже резки фольгированного текстолита. В этой статье разберем формулы расчета, работу с калькулятором, выбор материала и типичные ошибки.
Принцип работы патч-антенны
Прямоугольный патч излучает за счет краевых полей на двух противоположных сторонах — их называют излучающими щелями. Длина патча выбирается так, чтобы между этими краями укладывалась примерно половина длины волны в диэлектрике. Именно поэтому размеры антенны напрямую зависят от диэлектрической проницаемости материала подложки: чем она выше, тем компактнее антенна на той же частоте.
Поле между патчем и земляным полигоном частично выходит за края металлизации — это явление называется fringing effect (краевой эффект). Из-за него электрическая длина патча оказывается больше геометрической, и калькулятор вводит поправку, удлиняя эффективный размер. Если считать длину просто как половину длины волны без поправки, резонанс готовой антенны уйдет ниже по частоте.
Ширина патча влияет на сопротивление излучения и полосу пропускания. Более широкий патч дает больший КПД и чуть более широкую полосу, но при чрезмерной ширине возбуждаются паразитные поперечные моды, искажающие диаграмму направленности.
Формулы, которые использует калькулятор
Большинство онлайн-калькуляторов патч-антенн реализуют классическую модель трансмиссионной линии. Расчет идет в три шага: сначала определяется ширина патча, затем эффективная проницаемость с учетом краевых полей, затем длина с поправкой на удлинение.
Ширина патча вычисляется по формуле:
W = c / (2·f) · √(2 / (εr + 1))где c — скорость света, f — рабочая частота, εr — относительная диэлектрическая проницаемость подложки. Эффективная проницаемость учитывает, что часть поля проходит в воздухе:
εeff = (εr+1)/2 + (εr−1)/2 · (1 + 12·h/W)^(−1/2)Итоговая длина патча получается из полуволнового условия с вычетом удлинения ΔL на каждом краю:
L = c / (2·f·√εeff) − 2·ΔL 💡Калькулятор патч-антенны считает не просто половину длины волны: он вводит поправки на эффективную проницаемость и краевое удлинение, поэтому его результат всегда точнее «ручной» прикидки λ/2.