بخشی از مقاله
چکیده
آنتن های میکرواستریپ عموماً یک قطعه تشعشع کننده دو بعدی بر روی یک دی الکتریک نازک دارند و بنابراین می توانند به صورت یک المان دو بعدی صفحه ای برای کاربردهای آنالیز مورد توجه قرار گیرند. روش های آنالیز عمدتاً به دو دسته کلی تقسیم می شوند. در دسته اول روش ها مبتنی بر یافتن توزیع جریان مغناطیسی بر روی لبه های قطعه تشعشعی است، در دسته دوم روش ها مبتنی بر یافتن توزیع جریان الکتریکی روی قطعه تشعشعی و صفحه زمین است.
یکی از مشکلات عمده در بحث آنتن های پلاریزاسیون دایروی کم بودن پهنای باند این آنتن ها در مقایسه با آنتن های تک پلاریزاسیون می باشد. برای افزایش پهنای باند و بهره این آنتنها روش های مختلفی مانند استفاده از عایق های با ثابت دیالکتریک پایین، به کاربردن پیچ های اضافی، استفاده از ساختارهای چندلایه، استفاده از روش آرایهها و استفاده از تغذیه های تزویج معرفی شده است.
در این مقاله یک ساختار جدید پهن باند با قطبش دایره ای معرفی، شبیه سازی و مشخصات آن ارائه می شود. این آنتن دارای ساختار چندلایه و شامل پچهای اضافی و استفاده از روش آرایه می باشند. ساختار آنتن از نوع موجبر هم صفحه بوده که برای افزایش تطبیق امپدانسی یک استاب دایروی شکل به خط تغذیه آنتن اضافه شده است. در این آنتن، برای افزایش پهنای باند پلاریزاسیونی، علاوه بر استاب های L شکل متصل به زمین از استاب های T شکل با ابعاد متفاوت و نیز شکاف های مارپیچ در گوشه های زمین آنتن جهت چرخش جریان سطحی بهره گرفته شده است.
مقدمه
مفهوم آنتن های میکرواستریپ نخستین بار در سال 1953 مطرح شد و از سال 1970 آنتن های عملی توسط مونسون و هوول گسترش یافت . - Kua, et al, 2000 - ویژگی های مثبت و مزایای زیاد آن ها مانند وزن کم، حجم کوچک، ساخت آسان و هزینه پایین با تکنولوژی مدار چاپی سبب طراحی گونه های مختلف این آنتن در کاربردهای گوناگون گردیده است . با گسترش نیازهای جدید کاربردهای سیار و شخصی مخابرات به آنتن های کوچکتر و سبک تر، به تدریج آنتن های میکرواستریپ به گزینه ای بی رقیب تبدیل شد.
آنتن میکرواستریپ در ساده ترین شکل خود از یک قطعه تشعشع کننده هادی که بر روی یک لایه دی الکتریک که در طرف دیگر آن صفحه زمین قرار دارد تشکیل شده است.آنتن های میکرواستریپ ثابت کرده اند که برای بسیاری از کاربردها، تشعشع کننده مناسبی هستند.
این امر به خاطر مزایای گوناگون این آنتن هاستآنتن. های میکرواستریپ عموماً یک قطعه تشعشع کننده دو بعدی بر روی یک دی الکتریک نازک دارند و بنابراین می توانند به صورت یک المان دو بعدی صفحه ای برای کاربردهای آنالیز مورد توجه قرار گیرند. روش های آنالیز عمدتاً به دو دسته کلی تقسیم می شوند. در دسته اول روش ها مبتنی بر یافتن توزیع جریان مغناطیسی بر روی لبه های قطعه تشعشعی است، در دسته دوم روش ها مبتنی بر یافتن توزیع جریان الکتریکی روی قطعه تشعشعی و صفحه زمین است.
یکی از مشکلات عمده در بحث آنتن های پلاریزاسیون دایروی کم بودن پهنای باند این آنتن ها در مقایسه با آنتن های تک پلاریزاسیون می باشد . در طول سالیان اخیر، طراحان جهت افزایش پهنای باند از تکنیک های مختلفی همچون افزایش ارتفاع ،کاهش ثابت دی الکتریک، بکار بردن المان های پشتک، آرایه نمودن آنتن ها، استفاده از هارمونیک های بالا و... استفاده کرده اند
علاوه بر روش های مذکور ساختار تغذیه ای نیز در این بین بسیار موثر می باشد. بعنوان مثال تغذیه آنتن با کابل هم محور، به علت تزویج جسم سه بعدی به ساختار دو بعدی دارای کمترین پهنای باند در بین تمامی روش هاست. آنتن های میکرواستریپ به طور طبیعی پهنای باند باریکی از 1 تا 5 درصد دارند که مهمترین عامل محدودکننده در بکارگیری این آنتن ها در موارد پهن باند است. افزایش پهنای باند این آنتن ها مهمترین موضوع تحقیقی در این حوزه است.
در مقاله - Marques, et al, 2013 - یک روش جدید برای کاهش ابعاد آنتن و همچنین افزایش نسبی پهنای باند آن ارائه شده است. در این مقاله روزنههایی به شکل رزوناتورهای حلقوی مجزا - CSRR - که به شکل بیضوی میباشد بر روی یک آنتن مایکرواستریپ با پیچ بیضوی ایجاد شده است.
در مقاله - Baena, et al, 2014 - نشان داده شده است که استفاده از آنتن بیضوی شکل باعث کاهش فرکانس رزنانس نسبت به آنتن مایکرواستریپ معمولی میشود. همچنین در این مقاله نشان داده شده است برای افزایش پهنای باند آنتن میتوان از یک پین کوچک در طراحی آنتن استفاده کرد که با استفاده از این پین میدان الکتریکی به طور موثر در یک فاصله فرکانسی افزایش یابد. یکی از مشکلات عمده در بحث آنتن های پلاریزاسیون دایروی کم بودن پهنای باند این آنتن ها در مقایسه با آنتن های تک پلاریزاسیون می باشد.
در طول سالیان اخیر طراحان جهت افزایش پهنای باند از تکنیک های مختلفی همچون افزایش ارتفاع، کاهش ثابت دی الکتریک، بکار بردن المان های پشتک، آرایه نمودن آنتن ها، استفاده از هارمونیک های بالاو... استفاده کرده اند. علاوه بر روش های مذکور ساختار تغذیه ای نیز در این بین بسیار موثر می باشد. بعنوان مثال تغذیه آنتن با کابل هم محور-بعلت تزویج جسم سه بعدی به ساختار دو بعدی دارای کمترین پهنای باند در بین تمامی روش هاست. به همین در این مقاله یه دنبال یک طراحی مناسب به کمک انتخاب تغذیه مناسب برای افزایش پهنای باند هستیم.
در این مقاله به معرفی یک آنتن پلاریزاسیون دایروی می پردازیم که نه تنها از لحاظ ابعاد بسیار کوچک شده بلکه نسبت محوریآن پهنای باند 36660+] داشته و از 42880+] تا 79530+] را پوشش می دهد. در طراحی آنتن جهت افزایش تطبیق امپدانسی یک استاب دایروی به خط تغذیه افزوده شده و جهت افزایش پهنای باند نسبت محوری علاوه بر بازوهای L شکل بازوهای T شکل با ابعاد مختلف و نیز شکاف های مارپیچ به زمین آنتن اضافه شده است. جزییات طراحی در بخش بعدی آورده شده است.
ساختار آنتن
هندسه آنتن پیشنهادی در شکل 1 آورده شده است. استفاده از بازوهای L شکل جهت تولید پلاریزاسیون دایروی در سال 2008 در - Lo, - 2009 معرفی شد. وظیفه اصلی این دو بازو تحریک و تقویت مد دوم رزنانسی جهت تولید پلاریزاسیون دایروی است. یکی از مشکلات این گونه آنتن ها ضعف ناشی از عدم تطبیق امپدانسی آنتن در کل بازه پلاریزاسیونی آن است. در این آنتن جهت حل این مشکل یک استاب دایروی شکل به آنتن اضافه شده است. استفاده از استاب های دایروی در - Marques, et al, 2013 - نیز ذکر شده است. وجود بازوهای T شکل متصل به زمین در ایجاد رزنانس و طبیعتاً افزایش پهنای باند پلاریزاسیونی نقشی اساسی است و در نهایت شکاف های مارپیچ که وظیفه چرخش جریان سطحی را به عهده دارند در افزایش نسبت محوری موثر هستند.
شکل :1 هندسه آنتن پیشنهادی-تمامی ابعاد بر حسب میلی متر هستند.
بررسی و تحلیل پارامتریک
جهت درک بهتر می توان مراحل تشکیل آنتن را به چند بخش تقسیم کرد. در ابتدا آنتن شامل یک خط تغذیه تطبیق یافته50 اهمی به همراه یک زمین ساده، در نرم افزار HFSS ver15 بارگذاری شد. شکل 2ب نشان می دهد آنتن دارای یک رزنانس در حوالی فرکانس 3,5گیگاهرتز و نسبت محوری بیشتر از 15 دسی بل است. سپس در مرحله دوم استاب های L شکل به ساختار زمین اضافه شدند. وظیفه اصلی این استاب ها تحریک مد دوم است. این مد در فرکانس 10گیگاهرتز ایجاد شده و نسبت محوری آنتن نسبت به حالت اول بهبود زیادی می یابد.
