بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از آنتن پچ E شکل به دلیل سادگی ساخت و تطبیق امپدانس مطلوب با خط تغذیه مورد توجه طراحان آنتن میکرواستریپ قرار گرفته است. استفاده از یک آنتن واحد، در چند باند فرکانسی به منظور بهره برداری در رادیو شناختگر ها یکی از راه های افزایش پیوند ارتباطی بین دستگاه فرستنده و گیرنده است. با استفاده از سوئیچ های RF-MEMS می توان یک آنتن را در باندهای فرکانسی متفاوت تحریک نمود و از پترن تابشی آن بهره برد.
در این مقاله با استفاده از سوئیچ های RF-MEMS خازنی آنتن پچ E شکلی طراحی و ارائه شده است که می تواند در سه باند فرکانسی 2.6GHz, 2.46GHz, 2.86GHz کار کند. در این طراحی از چهار سوئیچ RF-MEMS استفاده شده است. تا کنون در مقالات ارائه شده تنها دو باند فرکانسی برای عملکرد آنتن در نظر گفته شده است که آنتن E شکل در این مقاله به سه باند فرکانسی گسترش می یابد. با استفاده از الگوریتم بهینه سازی ژنتیک ابعاد شیارها و محل قرارگیری سوئیچ ها برای کمترین تلفات بازگشتی بهینه شده است.
مقدمه و هدف
ارتباط بین دو آنتن معمولا دارای مشکلاتی از جمله چند مسیره بودن، تداخل و محوشدگی است. این پدیده های مختلف به شدت عملکرد سیستم های ارتباطی بیسیم امروزی را محدود می کند. در سال های اخیر تکنیک ها و راه حل های زیادی برای افزایش پیوند های ارتباطی اختراع شده اند .[4][1] بهبود هایی که در آنتن ها صورت گرفته شامل استفاده از آنتن های متنوع برای غلبه بر محدودیتی است که به دلیل استفاده از آنتن تکی بر سیستم گیرنده تحمیل شده است .[1] آنتن تغییر شکل پذیر برای افزایش ویژگی های اضافه شده به یک آنتن تکی به کار می رود[3][2]و سیستم های آنتن MIMO - چند ورودی چند خروجی - برای بهره برداری از محیط های چند مسیره در باند فرکانسی داده شده استفاده می شود.[4]
در این روش فرض می شود که ابتدا فرکانس مورد نظر تنظیم شده و سپس در این فرکانس تثبیت و تنظیم شده، عملکرد کلی دستگاه برای بهره برداری در محیط های دارای شرایط مکانی خاص بهبود داده می شود. تکنیک دیگری که اخیرا جنبش خوبی را به وجود آورده است استفاده از روش نرم افزاری رادیویی هوشمند به مفهوم دسترسی به طیف پویا یا همان رادیو شناختگر ها است .[5] به صورت معمول رادیوشناختگر به معماری کامل سیستم های ارتباطی اطلاق می شود که توانایی تشخیص محیط برای کاربران اصلی را دارند و از طیف در دسترسی که به تازگی به کار گرفته نشده استفاده می کنند .[5]
برعکس تکنیک های قبلی که اشاره شد، رادیوهای هوشمند از هر دو میزیت محیط های بیسیم یکی از جنبه زمان و دیگری از جنبه فرکانس بهره می برند. در هر مکان، زمان و جهت داده شده، طیف فرکانسی ممکن است که به صورت کامل استفاده نشود. توانایی دستیابی به طیف پویا، مزایای زیادی را برای سیستم های بیسیم در اختیار می گذارد. از جمله فرصت مناسبی برای جلوگیری از محو شدن موج و امکان بهبود ظرفیت کانال در پهنای باند های نسبتا عریض. نیاز های برطرف شده توسط رادیو شناختگر - هوشمند - ، چالش های منحصر به فرد زیادی را پیش روی طراحان آنتن قرار داده است. برخی از این چالش های پیش رو در مرجع [7] ذکر شده است.
کارهای قبلی که برروی طراحی آنتن برای چنین سیستم هایی تمرکز داشت، اغلب پوشش همه جهته مورد نیاز را هدف گذاری می کرد. همچنین پهنای باند بسیار وسیع با استفاده از آنتن UWB مشابه آنتن های شکل پذیر مد نظر قرار داشت .[4][9] نوع دیگری از آنتن ها موسوم به آنتن های پچ که به طورگسترده در کاربردهای بیسیم استفاده می شدند از قبیل لپ تاپ ها، برای استفاده در سیستم های رادیو شناختگر بسیار مناسب هستند که دلیل اصلی آن باریک باند بودن آنهاست و تلاش ها در زمینه بررسی این دسته آنتن ها معمولا محدود بوده است.
اگر چه پهنای باند آنها قابلیت گسترش به وسیله اشکال پچ جدید مانند پچ E شکل همراه با تغییر شکل فرکانسی را دارند. آنتن پچ E شکل تغییر شکل پذیر ، یک ساختار تک تغذیه ، تک لایه ساده را در اختیار قرار می دهد که برای تولید، سرراست و ساده هست. همچنین می تواند پهنای باند وسیع تری را به صورت همزمان نسبت به سایر آنتن های باریک باند تنظیم پذیر از خود نشان می دهد.
در این مقاله با استفاده از مؤلفه های جریان در اطراف شیار های آنتن E شکل و استفاده از سوئیچ های RF-MEMS خازنی، یک آنتن پچ که در سه باند فرکانسی 2.6GHz, 2.46GHz, 2.86GHz کار می کند را طراحی و شبیه سازی کرده ایم. آنتن طراحی شده به لحاظ موقعت قرارگیری سوئیچ ها RF-MEMS با استفاده از الگوریتم شبیه سازی ژنتیک برای بدست آوردن بهترین تطبیق امپدانسی، بهینه شده است. در ادامه پس از ذکر تئوری عملکرد آنتن پچE شکل، به تحلیل و بررسی نتایج حاصل از شبیه سازی می پردازیم. از نرم افزار HFSS برای شبیه سازی طرح آنتن پیشنهادی استفاده شده است.
تئوری عملکرد آنتن پچ
برخی از تکنیک های خیلی سر راست در مقالات برای افزایش پهنای باند آنتن های پچ که با پروپ تغذیه می شود، عبارتند از، پچ هایی به فرم انباشته [15]، پچ به شکل L به همراه پروپ تغذیه، پچ U شکل شیار دار [16] و پچ E شکل [17] می باشد. آنتن پچ E شکل مزایایی دارد که ناشی از تک لایه بودن، ساختار تغذیه یگانه - تک - و امکان بهبود پترن با استفاده از شیار هایی برای خط های بایاس کنترل کننده سوئیچ ها می باشد. در گذشته آنتن پچ E شکل برای طرح های دو بانده و چند بانده بهینه سازی شده اند، اگر چه تغییرپذیری فرکانسی در این بررسی ها گنجانده نشده بود.
این مقاله مطالعه جامع و کاملی را در زمینه FR-ESPA با استفاده از MEMS ارائه می کند. به طور عادی آنتن پچ E شکل دارای دو باند تشدید ناشی از وجود شیار ها در توپولوژی پچ می باشد .[17] این شیارها که شکل E را به وجود آورده اند، اجازه می دهند که یک مود فرکانسی تشدید در فرکانس پایین تر به نسبت مود اصلی به وجود آید. این پدیده ناشی از جریان های تشدیدکننده در هندسه دیگر پچ است. این جریان در شکل - 1b - نشان داده شده است. این مود وابستگی شدید به شکل هندسی شیار دارد، در حالی که مود عادی پچ به طور اصلی وابسته به طول خود پچ می باشد، شکل . - 1a - این طول تشدید پچ اغلب با مقدار g / 2 برابر است.
تغییر ابعاد شیار به صورت خیلی قوی مودهای تشدید آنتن پچ E شکل را کنترل می کند و بنابراین با تغییر آنها می توان تطبیق امپدانس مطلوب را فراهم آورد. طول شیار در شکل - 1c - در مقایسه با شکل - 1b - کوتاه می شود و در نتیجه جریان، فاصله کوتاه تری برای پیمودن در اطراف شیارها در اختیار دارد و فرکانس تشدید بزرگتری را بدست می دهد. با جایگذاری سوئیچ های RF از قبیل پین دیودها یا MEMS می توان ابعاد شیار ها را تغییر داد. در نهایت مود های تشدید را می توان با خاموش و روشن کردن سوئیچ ها دستکاری کرد. سوئچ های زیادی را می توان برای تحریک مود های مختلف تشدید در شیار ها گنجانید.
