Loading files
This file is pinned to the selected release. Download the original to open it in your design tool.
9c196bc7dThis file is pinned to the selected release. Download the original to open it in your design tool.
<p align="center">
<b>Русский</b> | <a href="README.en.md">English</a> | <a href="README.de.md">Deutsch</a>
</p>
# 2.44 GHz Microstrip Patch Antenna and 2x2 Array
Проект разработки, аналитического расчета, трехмерного электромагнитного моделирования и конструирования микрополосковой патч-антенны и синфазной 4-элементной решетки ($2 \times 2$) диапазона 2,44 ГГц (ISM / Wi-Fi / Bluetooth) на диэлектрической подложке Rogers RO4350B, включая защитный экранирующий корпус.
---
## 1. Описание проекта
Данный репозиторий содержит материалы полного цикла проектирования планарной микрополосковой антенны и антенной решетки на центральную частоту $f_0 = 2{,}44\text{ ГГц}$:
- **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.
---
## 2. Структура проекта
```text
.
├── 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
```
---
## 3. Аналитический расчет
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: $f_0 = 2{,}44\text{ ГГц}$
### 3.1. Геометрические размеры излучающего патча
1. **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 $\varepsilon_{eff} = 3{,}264$.
2. **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:
$$L_{eff} = L_0 - 2\Delta L \approx 32{,}48\text{ мм}$$
### 3.2. Согласование и микрополосковая линия
1. **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 $\lambda_g = 74{,}30\text{ мм}$).
2. **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 $2{,}58\text{ мм}$).
---
## 4. 3D-моделирование и топология
### 4.1. Одиночный излучатель
Одиночный элемент представляет собой прямоугольный микрополосковый патч с врезной линией питания $50\text{ Ом}$.
| Параметр | Значение (мм) |
|---|---|
| Ширина патча ($W$) | 41,00 |
| Длина патча ($L$) | 32,48 |
| Глубина врезки ($y_0$) | 10,16 |
| Ширина зазора врезки | 2,58 |
| Ширина микрополосковой линии ($W_t$) | 3,63 |
### 4.2. 4-элементная антенная решетка ($2 \times 2$)
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.
### 4.3. Конструкция корпуса
Корпус состоит из двух фрезерованных/литых деталей:
1. **Верхняя крышка (радиопрозрачный колпак / крышка):** защищает излучающее полотно, содержит фасонный профиль внутренней полости.
2. **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.
---
## 5. Результаты численного моделирования
Численный расчет выполнен методом конечного интегрирования во временной области в CST Microwave Studio.
### 5.1. Одиночный излучатель
- **Центральная частота резонанса:** $2{,}4409\text{ ГГц}$
- **Коэффициент отражения ($S_{11}$):** $-22{,}50\text{ дБ}$
- **КСВН (VSWR):** $1{,}164$
- **Входной импеданс ($Z_{11}$):** $57{,}49 - j2{,}19\text{ Ом}$
### 5.2. Синфазная решетка ($2 \times 2$)
- **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 $0{,}1\%$, обеспечено согласование по входу с уровнем КСВН $< 1{,}2$ на рабочей частоте.
---
## License
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.