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# 2,44 GHz Mikrostreifen-Patchantenne und 2x2-Array
Entwurf, analytische Berechnung, 3D-elektromagnetische Simulation und mechanische CAD-Konstruktion einer Mikrostreifen-Patchantenne sowie eines phasengleichen 4-Element-Arrays ($2 \times 2$) für 2,44 GHz auf Rogers RO4350B-Substrat einschließlich geschirmtem Gehäuse.
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## 1. Projektübersicht
Dieses Repository umfasst den vollständigen Entwicklungszyklus einer planaren Mikrostreifenantenne und eines Antennen-Arrays für die Mittenfrequenz $f_0 = 2{,}44\text{ GHz}$ (ISM-Band):
- **Analytische Berechnung:** Parametrische Dimensionierung in Mathcad für Patch-Geometrie, Streufeld-Korrektur und Inset-Speiseanpassung.
- **Elektromagnetische Simulation:** 3D-Vollwellenanalyse in CST Microwave Studio (S-Parameter, Eingangsimpedanz $Z_{11}$, Stehwellenverhältnis VSWR, 3D- und polare Fernfelddiagramme).
- **Konstruktion:** 3D-CAD-Modelle des Gehäusedeckels und der gerippten Kühlkörper-Grundplatte (STEP, F3D) zur Systemintegration.
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## 2. Projektstruktur
```text
.
├── cad/ # 3D-Volumenmodelle von Gehäuse und Grundplatte (STEP, F3D)
│ ├── enclosure_base.f3d
│ ├── enclosure_base.step
│ ├── enclosure_cover.f3d
│ └── enclosure_cover.step
├── calculations/ # Analytische Berechnungsdateien (Mathcad / SMath)
│ └── .gitkeep
├── simulation/ # CST Studio Suite Simulationsprojekte
│ └── .gitkeep
├── docs/
│ └── images/ # Berechnungsabbildungen, Simulationsdiagramme und CAD-Renderings
│ ├── 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 # Ausschluss temporärer Dateien von CAD, CST und OS
├── LICENSE # CERN-OHL-P v2 Lizenz
├── README.md # Russische Dokumentation
├── README.en.md # Englische Dokumentation
└── README.de.md # Deutsche Dokumentation
```
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## 3. Analytische Berechnung
Die Berechnung basiert auf dem Leitungsmodell für das Hochfrequenzsubstrat **Rogers RO4350B**:
- Relative Permittivität: $\varepsilon_r = 3{,}48$
- Substratdicke: $h = 1{,}6\text{ mm}$
- Kupferkaschierung: $t = 35\text{ }\mu\text{m}$ ($1\text{ oz}$)
- Arbeitsfrequenz: $f_0 = 2{,}44\text{ GHz}$
### 3.1. Geometrische Abmessungen des Strahlers
1. **Patch-Breite ($W$):**
$$W = \frac{c}{2 f_0} \sqrt{\frac{2}{\varepsilon_r + 1}} \approx 41{,}05\text{ mm}$$
Unter Berücksichtigung der Leiterbahndicke beträgt die effektive Breite $W_{eff} = 41{,}00\text{ mm}$ mit effektiver Permittivität $\varepsilon_{eff} = 3{,}264$.
2. **Patch-Länge ($L$) und Streufeldverlängerung ($\Delta L$):**
$$L_0 = \frac{c}{2 f_0 \sqrt{\varepsilon_{eff}}} \approx 34{,}01\text{ mm}$$
Streufeldbedingte Längenverlängerung:
$$\Delta L = h \cdot 0{,}412 \frac{(\varepsilon_{eff} + 0{,}3)(W/h + 0{,}264)}{(\varepsilon_{eff} - 0{,}258)(W/h + 0{,}8)} \approx 0{,}766\text{ mm}$$
Resonante physikalische Patch-Länge:
$$L_{eff} = L_0 - 2\Delta L \approx 32{,}48\text{ mm}$$
### 3.2. Speiseleitung und Anpassung
1. **50-Ohm-Mikrostreifenleitung ($W_t$):**
Für den Wellenwiderstand $Z_0 = 50\text{ }\Omega$ ergibt sich die Streifenbreite zu $W_t = 3{,}63\text{ mm}$ ($\varepsilon_{eff,line} = 2{,}734$, Leitungswellenlänge $\lambda_g = 74{,}30\text{ mm}$).
2. **Inset-Einkopplung ($y_0$):**
Eingangsimpedanz an der Kante des Strahlers basierend auf den Strahlungsleitwerten ($G_1 = 1{,}155\times 10^{-3}\text{ S}$, $G_{12} = 5{,}954\times 10^{-4}\text{ S}$):
$$Z_{in} = \frac{1}{2(G_1 + G_{12})} \approx 285{,}74\text{ }\Omega$$
Eintauchtiefe der Inset-Speisung für eine $50\text{ }\Omega$-Anpassung:
$$y_0 = \frac{L_{eff}}{\pi} \arccos\left(\sqrt{\frac{50}{Z_{in}}}\right) \approx 8{,}97\text{ mm}$$
(Im numerischen Modell auf $10{,}16\text{ mm}$ bei einer Schlitzbreite von $2{,}58\text{ mm}$ optimiert).
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## 4. 3D-Modellierung und Topologie
### 4.1. Einzelnes Strahlerelement
Das Einzelelement ist ein rechteckiger Mikrostreifen-Patch mit $50\text{ }\Omega$-Inset-Speisung.
| Parameter | Wert (mm) |
|---|---|
| Patch-Breite ($W$) | 41,00 |
| Patch-Länge ($L$) | 32,48 |
| Inset-Tiefe ($y_0$) | 10,16 |
| Inset-Spaltbreite | 2,58 |
| Speiseleitungsbreite ($W_t$) | 3,63 |
### 4.2. 4-Element-Array ($2 \times 2$)
Zur Erhöhung des Antennengewinns und Bündelung der Richtcharakteristik wurde ein $2 \times 2$ planares Array mit einem symmetrischen Leitungs-Leistungsteiler konzipiert.
- Abmessungen der Leiterplatte: $167{,}00 \times 183{,}00\text{ mm}$.
- Gleiche Phasenlage und Amplitudenverteilung über alle vier Strahlerelemente.
### 4.3. Gehäusekonstruktion
Die Gehäusebaugruppe besteht aus zwei Präzisionsteilen:
1. **Radom-Gehäusedeckel:** Schützt die Antennenstruktur mechanisch und witterungsbedingt bei minimaler Dämpfung.
2. **Grundplatte / Kühlkörper:** Bietet mechanische Stabilität, rückseitige Kühlrippen für Wärmekonvektion, Zentrierdome sowie eine Aussparung für die SMA-HF-Buchse.
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## 5. Numerische Simulationsergebnisse
Die elektromagnetische 3D-Simulation wurde in CST Microwave Studio im Zeitbereich durchgeführt.
### 5.1. Kenndaten des Einzelelements
- **Resonanzfrequenz:** $2{,}4409\text{ GHz}$
- **Rückflussdämpfung ($S_{11}$):** $-22{,}50\text{ dB}$
- **Stehwellenverhältnis (VSWR):** $1{,}164$
- **Eingangsimpedanz ($Z_{11}$):** $57{,}49 - j2{,}19\text{ }\Omega$
### 5.2. Kenndaten des 4-Element-Arrays ($2 \times 2$)
- **Resonanzfrequenz:** $2{,}4400\text{ GHz}$
- **Rückflussdämpfung ($S_{11}$):** $-22{,}57\text{ dB}$
- **Stehwellenverhältnis (VSWR):** $1{,}161$
- **Eingangsimpedanz ($Z_{11}$):** $58{,}01 + j0{,}64\text{ }\Omega$
- **Maximaler Richtfaktor (Directivity):** $13{,}2\text{ dBi}$
- **3-dB-Halbwertbreite:** $37{,}6^\circ$
- **Hauptstrahlrichtung:** $3{,}0^\circ$ (relativ zur Normalen)
- **Nebenzipfeldämpfung (SLL):** $-8{,}8\text{ dB}$
Die Ergebnisse der numerischen Feldberechnung weisen eine hohe Übereinstimmung mit dem analytischen Leitungsmodell auf: Die Resonanzfrequenzabweichung liegt unter $0{,}1\%$, und die Eingangsanpassung erreicht ein Stehwellenverhältnis von VSWR $< 1{,}2$ auf der Zielfrequenz.
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## License
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