بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، آنتن مایکرواستریپ با قابلیت پیکربندی مجدد فرکانس ارائه شده است. ابعاد آنتن 80*90 میلی متر است که توسط خط مایکرواستریپی تغذیه می شود. در طراحی و ساخت آنتن از زیرلایه ی FR4 با ضریب دی الکتریک نسبی 4/8 استفاده شده است.
دلیل استفاده از ای ن زیرلایه، ارزان قیمت بودن آن و همچنین قابلیت تجاری سازی آنتن ساخته شده با این زیرلایه می باشد. در این طراحی پس از بهینه سازی آنتن شکافی، از سوئیچ جهت پیکربندی مجدد آنتن استفاده شده است. با تغییر حالات سوئیچ ها، دسترسی به باندهای عبور متناظر با فرکانس های کاری GSM900 و GPS و GSM1800و GSM1900 و UMTS2100 امکان پذیر است.
مقدمه
حوزه ی تحلیل و طراحی آنتن های مایکرواستریپ از جمله مطلوب ترین و کارآمدترین حوزه در دنیای امروز مخابرات محسوب می شود.[1] مفهوم آنتن های مایکرواستریپ اولین بار توسط Deschamp در سال 1953 مطرح گردید و از آن زمان تا کنون تحقیقات گسترده ای بر روی این آنتن ها صورت گرفته است. [2] آنتن مایکرواستریپ دارای مزایایی از قبیل حجم کوچک ، وزن و هزینه ی کم و ضخامت کم می باشند.
امروزه با استفاده از آنتن ها در کاربردهای بسیار، موضوع کاهش سایز مطرح می باشد. زیرا آنتن ها در وسایلی مورد استفاده قرار می گیرند که نیاز به سایز کوچک، وزن کم، پهنای باند مناسب و قیمت مناسب دارند. سطح یکنواخت و مسطح این آنتن ها دلیل انتخاب ایده آل برای این وسایل می باشد.
در سال های اخیر، آنتن های پیکرپذیر توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. این آنتن ها برای نخستین بار در سال1983 مطرح گردید و اولین نمونه های طراحی شده به دهه ی 1990 برمی گردد. [4] مفهوم پیکربندی مجدد به تغییر در ویژگی های فرکانسی، پترن تشعشعی یا پلاریزاسیون آنتن با تغییر در ابعاد روزنه یا هندسه ی الکتریکی و مکانیکی اطلاق می شود. اگرچه آنتن های چندبانده ی ثابت در بسیاری از دستگاه ها و وسایل مخابراتی کاربرد دارند اما دارای انعطاف برای تطبیق با سرویس های جدید نمی باشند
همچنین با استفاده از این روش سایز سیستم های مخابراتی بیسیم کاهش می یابد..[6] بدین منظور آنتن های پیکرپذیر مورد توجه قرار گرفته اند. این آنتن ها با حذف نیاز به آنتن های پهن باند، سطوح بیشتری از قابلیت را ارائه می دهند و در مقایسه با آنتن های پهن باند دارای اندازه کوچک تر و پترن تشعشعی یکسان برای تمام باندهای فرکانسی طراحی شده می باشد.
پیکربندی مجدد در آنتن ها به سه دسته ی کلی تقسیم می شود: پیکربندی مجدد فرکانسی . پیکربندی مجدد پترن و پیکربندی مجدد پلاریزاسیون.
پیکربندی مجدد فرکانسی ، قابلیت سوئیچ سریع و یا مداوم از یک باند فرکانس به باند فرکانسی دیگر می باشد و با کنترل طول موثر الکتریکی آنتن و توانمند نمودن آنتن برای کار در باندهای فرکانسی مختلف به دست می آید. شش روش کلی برای دستیابی به پیکربندی مجدد آنتن ها وجود دارد. دسته ی اول شامل استفاده از سوئیچ های RF-MEMS ، دیود پین و ورکتور است که باعث ایجاد آنتن های پیکرپذیر الکتریکی می شود.
در دسته ی دیگری از این آنتن ها می توان با تکیه بر سوئیچ های حساس به نور به این قابلیت دست یافت که آنتن های پیکرپذیر نوری نامیده می شوند. با تغییر در ساختار آنتن ها نیز می توان به آنتن های پیکرپذیر فیزیکی دست یافت و در انتها، می توان به استفاده از مواد هوشمند مانند فریت و کریستال مایع اشاره کرد.
در این مقاله سعی بر این است که با استفاده از قابلیت پیکربندی مجدد فرکانسی،آنتن اسلات مایکرواستریپ برای فعالیت در باندهای فرکانسیGSM900 و GPS و GSM1800 و GSM1900 و UMTS2100 طراحی شده است.در این طراحی پس از بهینه سازی آنتن مذکور، از دو دیود پین جهت پیکربندی مجدد استفاده شده است.
طراحی آنتن شکافی مایکرواستریپ
در این بخش به توصیف آنتن پیشنهادی پرداخته شده است. شکل 1 هندسه ی آنتن مایکرواستریپ با اسلات هایی روی پچ و زمین آنتن نشان داده شده است. آنتن ارائه شده بر روی زیرلایه ی FR4 با ضریب دی الکتریک نسبی 4/8 و ضخامت 1/77 میلی متر اجرا شده است.
شکل :1 نمای پچ آنتن ییشنهادی براساس ابعاد مشخص شده در جدول 1 آنتن با نرم افزار CST.Microwave Studio شبیه سازی شده است. همان طور که در بخش طراحی ذکر شد، آنتن روی زیرلایه ی FR4 با ضریب
دی الکتریک نسبی 4/8 و تانژانت تلفات 0/011 با ضخامت 1/77میلی متر ساخته شده است.
با استفاده از روابطی که در بالا اشاره شد می توان ابعاد مناسبی جهت دستیابی به فرکانس های رزونانس مورد نظر به دست آورد. حال با ایجاد اسلات هایی روی پچ و زمین آنتن می توان به ابعاد کوچک تری دست یافت. جدول 1 ابعاد آنتن ارائه شده را نشان می دهد. پهنا و طول زیرلایه و پچ با تغییرات زیاد و انجام شبیه سازی های مختلف به دست آمده اند.
جدول:1ابعاد آنتن پیشنهادی
طول خط تغذیه 22/34 میلی متر با پهنای3/191 میلی متر جهت تطبیق آنتن اسلات با خط تغذیه 50 اهم در نظر گرفته شده است. با انتخاب مناسب فاصله ی اسلات ها از پچ و زمین می توان به فرکانس های مورد نظر دست یافت. ضخامت اسلات ها نیز برای دستیابی به بهترین میزان افت بازگشتی و گین در فرکانس های رزونانس بهینه شده است. با افزودن اسلات ها و برش لبه های پچ تغییر در جریان سطحی ایجاد می شود و آنتن در فرکانس های مورد نظر به خوبی رزونانس می کند.
شکل :4 نمای نهایی زمین آنتن ساخته شده
شرایط تست در اتاق بدون بازتاب انجام شد. نگاره ی زیر نشانگر وضعیت محیط آزمایش آنتن می باشد. در شکل 5 آنتن ساخته شده به همراه پایه ی نگهدارنده در مقابل آن قابل مشاهده است. در داخل اتاق آزمایشگاه آنتن، جاذب ها به وضوح آشکار می باشند.
شکل :5 نمای کامل از آنتن ساخته شده در آزمایشگاه آنتن
نتایج شبیه سازی و ساخت آنتن در شکل 6 و 7 آورده شده است. شکل 6 تلفات بازگشتی آنتن و شکل 7 گین آنتن را نشان می دهد. از نتایج داده شده مشخص است که آنتن قابلیت فعالیت در سه باند فرکانسی GSM900,GPS,GSM1900 را داراست.
شکل : 6 نمودار افت بازگشتی بر حسب فرکانس آنتن شکافی
شکل : 7 نمودار گین بر حسب فرکانس آنتن شکافی
پیکربندی مجدد آنتن
در این مقاله با جایگذاری سوئیچ های دیود پین در اسلات ها، می توان به پیکربندی مجدد فرکانسی دست یافت و یک آنتن چندبانده چندکاربرده ارائه داد. در ابتدا سوئیچ S1 جهت ایجاد فرکانس 1800 مگاهرتز در اسلات پایینی پچ استفاده شده است که ساختار آن در شکل 8 نشان داده شده است.
شکل :8 استفاده از دیود پین در آنتن شکافی
تغییرات افت بازگشتی بر حسب فرکانس در شکل 9 نمایش داده شده است.
شکل :9 نمودار افت بازگشتی پس از پیکربندی مجدد با یک دیود پین
در شکل10 به بررسی گین پرداخته شده است. آنتن گین قابل قبولی در فرکانس 900 و 1800 مگاهرتز دارد.
شکل :10 نمودار گین آنتن پس از پیکربندی مجدد با یک دیود پین
همان طور که از نمودار افت بازگشتی پیداست، دو فرکانس رزونانس مرکزی 900 مگاهرتز و 1800 مگاهرتز به خوبی تامین شده اند. واضح است که آنتن در فرکانس 919 مگاهرتز دارای پهنای باند کمی می باشد. حال جهت افزایش پهنای باند حالت قبل و ایجاد رزونانس در فرکانس 2100 مگاهرتز نیز می توان از یک دیود پین در اسلات زمین استفاده کرد. شکل 11نمودار افت بازگشتی بر حسب فرکانس این آنتن را نشان می دهد.
شکل :11 نمودار افت بازگشتی آنتن با تغییرات فاصله ی دیود پین در زمین آنتن
در این نمودار به ازای مقادیر مختلف g، s11 های متفاوتی به دست می آید. g فاصله ی بین کناره ی زمین تا دیود پین می باشد. با توجه به نمودار،g= 26mm بهترین حالت را در فرکانس 900 مگاهرتز به دست می دهد. در این حالت s11 برابر -33 وپهنای باند برابر 30 مگاهرتز می باشد.
نمودار12 مقایسه ی افت بازگشتی در حالت استفاده از یک و دو دیود پین را نشان می دهد. در حالت اول از یک دیود پین و در حالت دوم از دو دیود پین استفاده شده است.
شکل :12مقایسه ی نمودار افت بازگشتی در حالات استفاده از - 1یک دیود پین - 2دو دیود پین
نتیجه گیری
حوزه تحلیل و طراحی آنتن های مایکرواستریپ از جمله مطلوب ترین و کارآمدترین حوزه در دنیای امروز مخابرات بی سیم محسوب می شود. در این مقاله، با انجام شبیه سازی های بسیار و تغییر پارامترها و اولویت دادن به مکان رزونانس ها، آنتن طراحی شد. برای تنظیم و بهبود رزونانس، از اسلات هایی روی پچ و سطح زمین آنتن استفاده شد.
در مرحله ی بعد دیود پین برای ایجاد دو رزونانس دیگر و افزایش پهنای باند مورد استفاده قرار گرفت. در این مراحل گین آنتن یکی دیگر از مهمترین پارامترهایی بود که به آن توجه شد. هدف اصلی از طراحی این آنتن توانایی کارکرد در شبکه ی موبایل پنج بانده است.
بنابراین نیاز به ایجاد رزونانس در فرکانس های مورد نظر شاملGSM900 و GPS و GSM1800 و GSM1900 و UMTS2100 می باشد. در آنتن مایکرواستریپ با افزودن سوئیچ های دیود پین در نقاط مناسب می توان این کار را انجام داد. لازم به توضیح است که در صورت تغییر فرکانس های تخصیص داده شده از طرف سازمان تنظیم مقررات به اپراتورها، امکان تغییر ناحیه باندی و شیفت آن به فرکانس های بالاتر یا پایین تر وجود دارد.
