Проект разработки, аналитического расчета, трехмерного электромагнитного моделирования и конструирования микрополосковой патч-антенны и синфазной 4-элементной решетки (
Данный репозиторий содержит материалы полного цикла проектирования планарной микрополосковой антенны и антенной решетки на центральную частоту
- Аналитический расчет: параметрический расчет геометрии излучателя и согласующей линии питания в Mathcad.
-
Электромагнитный анализ: верификация в среде CST Microwave Studio (S-параметры, входной импеданс
$Z_{11}$ , КСВН/VSWR, диаграммы направленности в 3D и полярных координатах). - Конструкторская часть: 3D CAD-модели корпуса и радиаторного основания (STEP, F3D) для интеграции в радиоэлектронную аппаратуру.
.
├── cad/ # Твердотельные 3D-модели корпуса и основания (STEP, F3D)
│ ├── enclosure_base.f3d
│ ├── enclosure_base.step
│ ├── enclosure_cover.f3d
│ └── enclosure_cover.step
├── calculations/ # Файлы математических и аналитических расчетов (Mathcad / SMath)
│ └── .gitkeep
├── simulation/ # Проекты численного электромагнитного анализа (CST Studio Suite)
│ └── .gitkeep
├── docs/
│ └── images/ # Графики, скриншоты расчетов, 3D-модели и чертежи топологии
│ ├── calc_feedline_50ohm_impedance.png
│ ├── calc_inset_feed_notch_depth.png
│ ├── calc_patch_length_conductance.png
│ ├── calc_patch_width_effective_permittivity.png
│ ├── sim_array_4elem_3d_model.png
│ ├── sim_array_4elem_radiation_pattern_3d.png
│ ├── sim_array_4elem_radiation_pattern_polar.png
│ ├── sim_array_4elem_s_parameters.png
│ ├── sim_array_4elem_vswr.png
│ ├── sim_array_4elem_z_parameters.png
│ ├── sim_single_patch_3d_model.png
│ ├── sim_single_patch_s_parameters.png
│ ├── sim_single_patch_vswr.png
│ ├── sim_single_patch_z_parameters.png
│ ├── topology_array_4elem_pcb.png
│ ├── topology_single_patch_dimensions.png
│ ├── cad_assembly_top_view.png
│ ├── cad_assembly_bottom_view.png
│ ├── cad_enclosure_cover_inside.png
│ ├── cad_enclosure_cover_outside.png
│ ├── cad_enclosure_base_inside.png
│ └── cad_enclosure_base_outside.png
├── .gitignore # Исключения временных файлов САПР, CST и ОС
├── LICENSE # Лицензия CERN-OHL-P v2
├── README.md # Документация на русском языке
├── README.en.md # Документация на английском языке
└── README.de.md # Документация на немецком языке
Расчет выполнен для высокочастотного диэлектрика Rogers RO4350B со следующими исходными параметрами:
- Диэлектрическая проницаемость:
$\varepsilon_r = 3{,}48$ - Толщина подложки:
$h = 1{,}6\text{ мм}$ - Толщина металлизации (медь):
$t = 35\text{ мкм}$ - Центральная частота:
$f_0 = 2{,}44\text{ ГГц}$
-
Ширина патча (
$W$ ):$$W = \frac{c}{2 f_0} \sqrt{\frac{2}{\varepsilon_r + 1}} \approx 41{,}05\text{ мм}$$ С учетом толщины проводника эффективная ширина составляет$W_{eff} = 41{,}00\text{ мм}$ , эффективная проницаемость$\varepsilon_{eff} = 3{,}264$ .
-
Длина патча (
$L$ ) и краевое удлинение ($\Delta L$ ):$$L_0 = \frac{c}{2 f_0 \sqrt{\varepsilon_{eff}}} \approx 34{,}01\text{ мм}$$ Краевое удлинение за счет краевых полей:$$\Delta L = h \cdot 0{,}412 \frac{(\varepsilon_{eff} + 0{,}3)(W/h + 0{,}264)}{(\varepsilon_{eff} - 0{,}258)(W/h + 0{,}8)} \approx 0{,}766\text{ мм}$$ Физическая длина излучателя:$$L_{eff} = L_0 - 2\Delta L \approx 32{,}48\text{ мм}$$ 
-
Ширина 50-омной линии питания (
$W_t$ ): Для волнового сопротивления$Z_0 = 50\text{ Ом}$ синтезирована ширина полоска$W_t = 3{,}63\text{ мм}$ ($\varepsilon_{eff,line} = 2{,}734$ , длина направляемой волны$\lambda_g = 74{,}30\text{ мм}$ ).
-
Врезное согласование (Inset feed,
$y_0$ ): Входное сопротивление на краю излучателя определено через излучательную проводимость щелей ($G_1 = 1{,}155\times 10^{-3}\text{ См}$ ,$G_{12} = 5{,}954\times 10^{-4}\text{ См}$ ):$$Z_{in} = \frac{1}{2(G_1 + G_{12})} \approx 285{,}74\text{ Ом}$$ Глубина врезки инсета для согласования с$50\text{ Ом}$ :$$y_0 = \frac{L_{eff}}{\pi} \arccos\left(\sqrt{\frac{50}{Z_{in}}}\right) \approx 8{,}97\text{ мм}$$ (в электромагнитной модели оптимизировано до$10{,}16\text{ мм}$ с шириной зазора$2{,}58\text{ мм}$ ).
Одиночный элемент представляет собой прямоугольный микрополосковый патч с врезной линией питания
| Параметр | Значение (мм) |
|---|---|
| Ширина патча ( |
41,00 |
| Длина патча ( |
32,48 |
| Глубина врезки ( |
10,16 |
| Ширина зазора врезки | 2,58 |
| Ширина микрополосковой линии ( |
3,63 |
Для повышения коэффициента направленного действия разработана синфазная решетка из 4 излучателей с параллельной корпоративной схемой деления мощности на микрополосковых тройниках и четвертьволновых трансформаторах.
- Габариты печатной платы:
$167{,}00 \times 183{,}00\text{ мм}$ . - Плата содержит пазы и технологические отверстия под винтовое крепление в корпусе.
Корпус состоит из двух фрезерованных/литых деталей:
- Верхняя крышка (радиопрозрачный колпак / крышка): защищает излучающее полотно, содержит фасонный профиль внутренней полости.
- Нижнее основание (базовая плита / радиатор): обеспечивает механическую жесткость, содержит внешнее оребрение для конвективного теплоотвода, опорные стойки фиксации платы и порт под высокочастотный разъем типа SMA.
Численный расчет выполнен методом конечного интегрирования во временной области в CST Microwave Studio.
-
Центральная частота резонанса:
$2{,}4409\text{ ГГц}$ -
Коэффициент отражения (
$S_{11}$ ):$-22{,}50\text{ дБ}$ -
КСВН (VSWR):
$1{,}164$ -
Входной импеданс (
$Z_{11}$ ):$57{,}49 - j2{,}19\text{ Ом}$
-
Центральная частота резонанса:
$2{,}4400\text{ ГГц}$ -
Коэффициент отражения (
$S_{11}$ ):$-22{,}57\text{ дБ}$ -
КСВН (VSWR):
$1{,}161$ -
Входной импеданс (
$Z_{11}$ ):$58{,}01 + j0{,}64\text{ Ом}$ -
Коэффициент направленного действия (Directivity):
$13{,}2\text{ dBi}$ -
Ширина главного лепестка по уровню -3 дБ:
$37{,}6^\circ$ -
Направление главного лепестка:
$3{,}0^\circ$ (от нормали) -
Уровень боковых лепестков (SLL):
$-8{,}8\text{ дБ}$
Результаты электродинамического моделирования демонстрируют высокую сходимость с аналитическим расчетом: отклонение резонансной частоты составляет менее
Copyright (c) 2026 Илья Корнилов
Этот исходный документ описывает открытое аппаратное обеспечение (Open Hardware) и распространяется под лицензией CERN-OHL-P v2. Вы можете распространять и изменять этот исходный документ, а также производить на его основе продукты в соответствии с условиями лицензии CERN-OHL-P v2 (https://cern.ch/cern-ohl).
Этот исходный документ распространяется БЕЗ КАКИХ-ЛИБО ЯВНЫХ ИЛИ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫХ ГАРАНТИЙ, ВКЛЮЧАЯ ГАРАНТИИ ТОВАРНОЙ ПРИГОДНОСТИ, УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНОГО КАЧЕСТВА ИЛИ СООТВЕТСТВИЯ КОНКРЕТНЫМ ЦЕЛЯМ. Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями CERN-OHL-P v2 для получения подробной информации.