بخشی از مقاله
چكيده -
آنتني كه طراحي شده است باند فركانسي2.6-4.5 GHz را پوشش مي دهد كه در دستگاه هاي قابل حمل مثل لپ تاپ و موبايل براي پوشش شبكه هاي wimaxوwi-fi مورد استفاده قرار مي گيرد.اين آنتن كه حاوي دو صفحه مثلثي تشعشع و دو صفحه تغذيه است.صفحه زمين در طرف ديگرصفحه تشعشع قرار داده شده است. صفحه زمين براي ايزوله كردن پورت ها از هم بهينه شده است.وابسته بودن پترن هاي تشعشع به هم، تنوع عملكرد آنتن رادر باند مذكور نشان مي دهد.
١- مقدمه
كاربرد هاي وسيع فركانس هاي بالا و ترافيك سيستم هاي مخابراتي باند پايين مهندسان را بر ان داشته تا آنتن هايي براي باندهاي بالا ي فركانسي طراحي كنندكه اصطلاحا" UWB گفته مي شود. اين باند در محدوده فركانسي 3.1-10.6GHz قرار دارد كه محدوده فركانسي 3.1-5GHz باند پايين UWB مي باشد.[2] آنتن هاي UWB كه بر روي مدار چاپي - - PCB قرار مي گيرند، بهترين نوع آنتن براي دستگاه هاي قابل حمل هستند.
در طراحي آنتن هاي UWB صفحه زمين و تشعشع و همچنين سيستم تغذيه براي تطبيق امپدانس بايستي بهينه شوند. همچنين آنتن هاي UWB چاپي كه داراي صفحه زمين و تشعشع هستند ضرورتا يك طراحي نا متعادل است كه درآن توزيع جريان در هر دو صفحه زمين و تشعشع پخش مي شود.بنابر اين صفحه زمين را كوچكتر انتخاب مي كنند.
مزيت اصلي آنتن هاي باند بالا امكان استفاده دوباره از فركانس ها است همچنين با تكنولوژي UWB مي توان شبكه WPAN را دررنج وسيعي پوشش داد كه مثال بارز آن جاي گزيني كابل هاي IEEE1394 بين دستگاه هاي مورد استفاده با ارتباط بيسيم و فعال كردن ارتباط بيسيم با سرعت بالاي WBUS براي كامپيوتر هاي شخصي بود.
براي سيستم هايي كه به طور قرار دادي در باند راديويي كار مي كنندضرورتا بايد چند كاناله باشند چون شايد سيگنال ها در گيرنده باهم مختلط بشوند كه پديده فيدينگ را پيش خواهد آورد.براي بالا بردن ضريب اطمينان سيستم، استفاده از آنتن هاي با پلاريزاسيون متغير - - diversity antenna كه امكان گيرندگي در جهات مختلف را مي دهد موثر است
آنتن هايي كه در محيط بسته كار مي كنند،پلاريزاسيون تصادفي و جهت سيگنال ورودي پترن متغير را بوجود مياورد.در پترن هاي متغير، آنتن با پترن هاي متفاوت در كانال هاي مختلف مورد استفاده قرار مي گيرد.آنتن هاي با پلاريزاسيون متغير در دستگاه هاي قابل حمل مثل لپ تاب و موبايل مورد استفاده قرار مي گيرد.
از سالهاي قبل روشهاي مختلفي براي ايجاد پلاريزاسيونهاي متفاوت ايجاد شده است كه ساده ترين آنها استفاده از دو تغذيه متعامد براي يك پچ است] ٣.[از ديگر روشها استفاده شده مي توان به استفاده از مواد كامپوزيت ]٤[ آرايه هاي لنز چند بيمه ]٥[ سيستمهاي چند ورودي چند خروجي - ] - MIMO٦[ و آنتنهاي ] Reconfigurable٧و٨[ و
روشهاي ديگر]٩و١٠[اشاره كرد.
در اين مقاله آنتني براي پوشش باند پايين UWB با تطبيق امپدانس طراحي شده است كه باند 2.6-4.5GHz راپوشش مي دهدكه در بخش 2 اين قسمت آورده شده است. با توجه به اينكه در مقاله مرجع[1] آنتني مشابه ارائه شده است ولي تفاوت هاي بسيار عمده اي در آنتن طراحي شده در اينجا وجود دارد. زيرا اين طراحي آنتن با زير لايه FR4 طراحي شده است ،همچنين مستطيلي در وسط شكاف صفحه تشعشع ايجاد شده است تا بتوان پهناي باند مورد نظر را پوشش داد - - Bandwidth Reconfigurable antenna كه نه تنها در هزينه آنتن صرفه جويي شده بلكه پهناي باند را نيز با افزودن مستطيل در وسط شكاف صفحه تشعشع، بهبود داده مي شود.
٢- روش طراحي آنتن
در شكل ١ هندسه آنتن آورده شده است. آنتن روي زير لايه به ابعاد 45×37×.8 mm3 از جنس FR4 با٤.٤εr= قرار داده شده است.دو صفحه تشعشع از هم ٣ ميلي متر فاصله دارند واز طريق خط مايكرو استريپي 1.86 mm با زاويه 45 و 135 درجه و با امپدانس 50Ω كه با مستطيل به ابعاد 1.86×.8mm به زمين وصل شده، تغذيه مي شوند.
هر يك از صفحات تشعشع داراي يك شكاف به اندازه1.5×14 mm است كه اين شكاف ها با مربع به اندازه2×2 mmپر شده اند كه هدف از شكاف ها متمركز كردن توزيع جريان در صفحه تشعشع به جاي صفحه زمين است.البته در فركانس هاي پايين اين اثر را با تطبيق امپدانس كم مي كنندكه در اينجا با مستطيل 3×4 در خط تغذيه و در نزديكي صفحه تشعشع تطبيق امپدانس انجام گرفته است.
كوپلينگ بين دو صفحه تشعشع با يك صفحه عمودي4.5×45 از زمين مي تواند كم تر شود. همچنين براي كم كردن اثر دو صفحه تشعشع نسبت به هم به فاصله3mm از هم قرار گرفته اند. و براي رسيدن به بهترين نوع تطبيق امپدانس در محل تغذيه ، صفحه تشعشع و مستطيل تطبيق امپدانس - تطبيق - T به اندازه 1mm از هم فاصله دارند.در شكل١-الف كليه توضيحات فوق نشان داده شده است.
پس از طراحي آنتن با نرم افزار HFSS براي رسيدن به بهترين پهناي باند با جاروب كردن مربع هاي كوچك در طول شكاف ها، پهناي باند مورد نظرمان با آنتن طراحي شده پوشش داده شده است.در شكل-2 منحني S - 1,1 - آنتن طراحي شده مشاهده مي شود. چون طراحي انجام گرفته به صورت سويپ پارامتري است لذا بهترين حالتي كه بتواند باند مورد نظر ما را پوشش بدهد در حالتي است كه مربع سمت راست در نقطه y=4 و مربع سمت چپ در نقطه y=10 باشد.
شكل١-الف:شكل آنتن از روبرو به همراه خط تغذيه با اندازه 1.86mm ومربع هاي اضافه شده در محل شكاف ها.
شكل ١-ب:شكل آنتن از پشت به همراه صفحات تشعشع در قسمت بالاي زير لايه كه خط چين شده است.
در شكل-2 باند مورد نظر ما با رنگ پر مشخص شده است كه يك پوشش فوق العاده براي باند فركانسي 2.6-4.5Ghzبا S - 1,1 - <-15db براي كاربردهاي باند بالا محسوب مي شود.البته در حالت جاروب مربع ها منحني هاي S - 1,1 - متفاوتي بدست امده است كه اين مربع ها در نقاط مختلفي از y روي شكاف هاي صفحه تشعشع بودند كه منحني هاي مربوط به آن با رنگ كم در شكل٢ مشخص شده اند . در عمل مي توان از المانهايي نيمه هادي مانند ديود پين - - PIN Diodeو يا سوييچهاي الكترومكانيكي - - RF MEMS استفاده كرد. همان طوري كه از شكل پيدا است آنتن طراحي شده باند فركانسي از 4.5Ghz را با مقدار قابل قبولي پوشش مي دهد ، كه يك آنتن براي پوشش شبكه Wi-fiوWimax در باند فركانسي مذكور است.
٣- بررسي گين آنتن
در بررسي انجام گرفته با نرم افزار HFSS گين آنتن طراحي شده ٧٥.٢ در باند مورد نظر ما بود كه براي بهبود گين در موقع ساخت آنتن ازمدار شكل3 درمحل تغذيه استفاده كرد. كه در حقيقت يك تقويت كننده اميتر مشترك در فركانس هاي بالاست.
٤- مطالعه پارامتر هاي قابل تغيير آنتن
با آزمايش هاي زيادي كه روي اين آنتن انجام گرفت براي اينكه بتوانيم S - 1,1 - را بهتر كنيم روش هاي متعددي وجود دارد مثلا مي توانيم فاصله دو صفحه تشعشع را تغيير دهيم يا اينكه طول خط تغذيه را افزايش يا كاهش دهيم. يا ميتوانيم تطبيق امپدانس انجام گرفته را تغيير دهيم كه ميتوان از تطبيق هاي مختلف مثل دلتا يا تيپر و... استفاده كنيم كه بسته به كاربرد هاي باند بالا مي توانيم از تغييرات پارامتري ذكر شده استفاده كنيم كه در كار هاي بعدي با اعمال تغييرات گفته شده سعي در طراحي هاي جديد انجام خواهد گرفت.
٥- نتيجهگيري
در اين مقاله با مطالعه مرجع[1] آنتني براي پوشش باند فركانسي 2.6-4.5Ghz با زير لايه FR4 با نرم افزار HFSS باS - 1,1 - <-15db كه عمده هدف ما پوشش شبكه WimaxوWi-fi بود طراحي شده است.در اين آنتن سعي شده است براي بر طرف كردن مشكل پلاريزاسيون آنتني با پلاريزاسيون متغير طراحي شود كه مشكل استفاده از چند آنتن در يك محل را با يك آنتن بر طرف مي كند.در اين آنتن صفحه زمين براي كاهش كوپلينگ بين صفحات
شكل٢: نتيجه شبيه سازي افت بازگشتي آنتن به همراه سويچ پارامتري كه مربع سمت راست،در محل شكاف در نقطه y=4 و مربع سمت چپ در نقطه y=10 مربوط به شكل پر رنگ است.
شكل٣: مدار طراحي شده براي بهبود گين آنتن در موقع ساخت.
بريده شده است. مزيت هاي اين آنتن نسبت به آنتن هاي مشابه قيمت ارزان و پوشش شبكه هاي باند بالا با S - 1,1 - بهتر است كه يك آنتن فوق العاده با قيمت خيلي ارزان براي باند مذكور مي باشد. در قسمت بررسي گين آنتن روش هايي براي بهبود گين آنتن ارائه شد كه در موقع ساخت آنتن از آن روش استفاده خواهيم كرد. همچنين در اين مقاله روش هايي براي بهبود عملكرد آنتن در قسمت مطالعه پارامتر ها ارائه شد كه در كارهاي بعدي بيشتر در باره اين موضوع بحث خواهد شد.
