بخشی از مقاله
چکیده –
این مقاله یک مطالعه از آنتن با پچ دایروی برای کاربردهای پهن باند را ارائه می دهد. آنتن روی یک زیرلایه دی الکتریک چاﭖ شده و با خط مایکرواستریپی ٥٠ اهمی تغذیه می شود. پچ دایروی مسطح برای تولید پهنای باند وسیع با مشخصات تشعشعی رضایت بخش به کار رفته است. ضمنا با ایجاد شکاف هایی روی پچ دایروی باند فرکانسی بین GHz٩/٢ وGHz٥ از آنتن پهن باند فیلتر شده و در نتیجه آنتن دو بانده مناسب برای کاربردهای WLAN یجاد می شود. پارامترهایی که بر کارایی آنتن در حوزه فرکانس تاثیر می گذارند نیز تحلیل شده است. مسطح بودن، ساختار ساده و فشرده، پترن های تشعشعی همه جهتی از ویزگی های طراحی پیشنهادی است.
١- مقدمه
یک آنتن پهنباند بایستی قابلیت کار در یک پهنایباند بسیار وسیع را داشته باشد. ضمنا کارایی منطقی و مشخصات تشعشعی رضایت بخش در تمام محدوده فرکانسی لازم است.
آنتنهای پهن باند با هندسه متناوب و یا مار پیچی به سمت سیستمهای پاشنده گرایش دارند. انها معمولا مولفههای فرکانسی گوناگون را با بخشهای مختلف آنتن تشعشع میکنند
در ]٥]-[٢[ چندین ترکیب مونو پل پهن باند با پچهای دایروی، مربعی، بیضوی، پنچ ضلعی و شش ضلعی برای کاربردهای پهن باند معرفی شدهاند. این آنتن ها دارای ویزگیهایی مانند پهنایباند کاری گسترده، مشخصات تشعشعی قابل قبول، ساختار ساده و قابلیت ساخت آسان میباشند. با این وجود در این نوع آنتنها صفحه زمین بر تشعشع کنندهها عمود هستند و دارای ساختار مسطح نیستند و بنابراین برای قرار گرفتن در بردهای مدار چاپی مناسب نیستند.
در ]٦[ آنتن پهن باند مسطح با ساختار شکاف دار معرفی شده است که این شکاف های موجود پهنای باند و کارایی تشعشعی آنتن را افزایش میدهند. در ]٧[ آنتن مسطح خمیده شده با استاب و فاصله هوایی برای کاربردهای پهن باند گزارش شده است. آنتن پهن باند میلهای با انعکاس دهنده فلزی در ]٨[ معرفی شده است که آنتن با یک دوقطبی تحریک شده و به وسیله خط مایکرواستریپی مخروطی شکل تغذیه شده است.
در این مقاله آنتن مونوپل دایروی و چاپی با ساختار ساده مناسب برای قرار گرفتن روی برد مدار چاپی ارائه شده است. سپس با استفاده از شکافهایی روی پچ دایروی یک بخش از فرکانس حذف شده و آنتن دوبانده برای WLAN در باندهای GHz٥,٤/٢ به دست آمده است.
در ]٩[ آنتن مونوپل دوگانه به شکل T برای کاربرد WLAN در فرکانسهای GH٤/٢GHz-٢/٥ با خط تغذیه مایکرواستریپی گزارش شده است. در ]١٠[ آنتن پا پیونی به همراه المانهای مثلثی شکل برای کاردهای مشابه ارائه شده است. در ]١١[ آنتن با ساختار فراکتالی برای دوکاربرد WLAN/WiMAX گزارش شده است. آنتن F-L معکوس مسطح با دو باند فرکانسی برای سیستم های مخابراتی در محدده کوتاه در ]١٢[ ارائه شده است.
٢- طراحی و ساختار آنتن پهن باند
آنتن مونوپل پیشنهادی با پچ دایروی در شکل ١ نشان داده شده است. آنتن روی زیر لایه ٤FR با ثابت دی الکتریک نسبی ٤/٤ و ضخامت ٥/١ میلیمتری چاﭖ شده است. ساختار آنتن شامل پچ دایروی با شعاع r و خط تغذیه مایکرواستریپی است که در لبه بالایی زیر لایه با ابعاد L وW چاﭖ شده است.
لبه پایینی زیرلایه دارای صفحه زمین با ابعاد ١L وW است. عرض خط تغذیه مایکرواستریپی mm٦/٢=١W مطابق با معادلات طراحی موجود محاسبه شده تا به تطبیق خوب در ٥٠ اهم برسیم. طول صفحه زمین mm٢٠=١L است که تنها بخش خط تغذیه را پوشش می دهد. ارتفاع h فاصله بین نقطه تغذیه و صفحه زمین است. در شبیه سازی این آنتن از نرم افزار HFSS استفاده شده است که بر مبنای روش المان محدود محاسبات الکترومغناطیسی را انجام میدهد. در شکل ١ مقادیر mm٣/٠mm,h=٥٠mm,L=٤٢mm,W=١٠r= محاسبه شده است و با نرم افزار بهینه شده است.
شکل١: هندسه آنتن پهن باند
٣- بحث ونتایج
تلفات بازگشتی آنتن شبیهسازی شده و در شکل ٢ نشان داده شده است از روی شکل مشخص است که برای ٢VSWR= پهنای باند آنتن از GHz٣٨/٢ تا GHz١٠ میباشد. توزیع جریان آنتن در دو فرکانس مختلف برای طراح بهینه شکل ١ در شکل ٣ نشان داده شده است.
از روی شکل - - a٣ مشخص است که روی پچ دایروی جریان بیشتر در لبه دیسک توزیع شده است که براین نکته تاکید میکند که اولین فرکانس رزونانس با ابعاد روی دیسک دایروی مرتبط است. روی صفحه زمین جریان بیشتر در لبه بالایی صفحه زمین و در جهت محور Y توزیع شده است. پس بخشی از صفحه زمین نزدیک به دیسک دایروی به عنوان قسمتی از ساختار تشعشعی عمل میکند.
بنابراین کارایی آنتن به عرض صفحه زمین وابسته است که وابستگی به صفحه زمین یک عیب محسوب میشود. چون هنگامی که این نوع آنتن ها روی برد مدار چاپی قرار میگیرند مدارهای RF نمیتوانند نزدیک صفحه زمین قرار بگیرند. نتایج شبیهسازی همچنین نشان داده که وقتی طول ١L از صفحه زمین بزرگتر از mm١٤ باشد کارایی آنتن تقریبا مستقل از ١L است. رابطه بین اولین فرکانس رزونانس با ابعاد دیسک دایروی - قطر - در جدول ١ نشان داده شده است. با افزایش قطر دیسک دایروی فرکانس رزونانس اول کاهش یافته است.
شکل٢: تلفات بازگشتی آنتن شکل
شکل٣: توزیع جریان آنتن GHz : - a - ٣GHz : - b - f=٩
جدول١: رابطه بین قطر و اولین فرکانس رزونانس
بهره ماکزیمم آنتن در محدوده کاری در شکل ٤ نشان داده شده است. بهره آنتن بین دو مقدار dB٥/٢ و dB٦ تغییر می کند که نشان دهنده یکنواخت بودن بهره در باند کاری است.
شکل٤: بهره ماکزیمم آنتن در محدوده کار
پترن های تشعشعی صفحات اساسی E و H آنتن در فرکانس های هارمونیک اول و دوم و سوم که به ترتیب تقریبا برابر با GHz٣ و GHz٥/٦ و GHz٩ می باشند در شکل ٥ رسم شده اند . پترن های تشعشعی تقریبا همه جهتی هستند.
شکل٥: پترن های تشعشعی H-plane - b - E-plane : - a -
- خط کلفت: GHz٣- خط گسسته: GHz٥.٦- حط نازک: GHz٩ -
٤- طراحی آنتن دو بانده به روش حذف باند
برای طراحی آنتن دو بانده همان آنتن شکل ١ را در نظر می گیریم. دو با نده کردن آنتن پهن باند به منظور کار در دو باند NHz - ٢٤٨٤-٢٤٠٠GHz - ٤/٢ و -٥١٥٠GHz - ٥ MHz - ٥٨٥٠ از باند های WLAN است. بنابراین برای دو بانده کردن این آنتن بایستی یک باند فرکانسی بین فرکانس های GHz٤/٢ و GHz٥ را حذف کرد. حذف کردن یک باند را می توان با ایجاد شکاف روی دیسک دایروی و یا شکاف در صفحه زمین انجام داد که در این مقاله حذف یک باند فرکانسی با شکاف روی دیسک دایروی انجام شده است. هندسه آنتن دو بانده به روش حذف باند در شکل ٦ نشان داده شده است.
