بخشی از مقاله
چکیده: یک آنتن میکرواستریپ با ابعاد بسیار کوچک 20*20*1میلیمتر مکعب و با پهنای باند فوقالعاده زیاد در این تحقیق ارائه شده است. این آنتن شامل یک عنصر تشعشعی، خط تغذیهی 50 اهم و یک صفحهی زمین ناقص با شکاف جزیی است. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که این آنتن در VSWR<2 دارای پهنای باندی بین 2/5 تا 49 گیگاهرتز است و به طور همزمان سیستمهای 1UWB و 2SWB را پوشش میدهد. همچنین این آنتن دارای پترن تشعشعی omni-directional است.
-1 مقدمه
سیستمهای UWB نیاز به آنتنهایی با ابعاد محدود، هزینه ساخت کم، طراحی ساده، پترن تشعشعی مناسب و بهره بالا دارند. در سالهای اخیر با توجه به کاربرد وسیع سیستمهای UWB، محققان بسیاری سعی در توسعه و بهبود این سیستمها داشتهاند. در این میان یکی از آنتنهای مناسب برای طراحی، آنتن میکرواستریپ است. طراحان سعی کردهاند، با تکنیکهایی مثل: اصلاح شکل المان تشعشعی[1]، ساختار زمین ناقص[2]، ساختارهای چند لایه[3] ، [4] coplanner wave guide - CPW - ، اصلاح تغذیهی آنتن[5] و غیره به آنتنی دست یابند که دارای ابعاد بسیار کوچک ولی مشخصات یک سیستم UWB ایدهآل را داشته باشد.
سیستمهای UWB دارای پتانسیل قوی ارتباطی هستند، اما با توجه به رشد روزافزون شبکههای بیسیم و افزایش کاربرد آن، احتیاج به فناوری که هر دو رنج ارتباطی کوتاه و بلند را پوشش دهد، بیش از پیش احساس میشود. آنتنهای SWB که قابلیت تولید پهنای باند بسیار وسیعی را دارند، در اواخر1950میلادی توسط Rumsey و همکارانش مورد تحقیق و بررسی قرار گرفتند.
این آنتنها در مقاصد نظامی مانند: سیستم های راداری دیوار، که برای شناسایی اجسامی که در طرف دیگر دیوارهای غیر فلزی قرار دارند، شناسایی اسلحهی پنهان شدهی سربازان جنگی دشمن، تشخیص معادن، شناسایی اشیای موجود در زمین، سیستمهای کنترل هوشمند کروز - - cruise و در پزشکی مانند: مانیتورینگ بیمار، تصویر برداری پزشکی و غیره بسیار پرکاربرد هستند. در این مقاله یک آنتن SWB با ابعاد کوچک طراحی شده است. این آنتن داری پهنای باند امپدانسی %180 است. آنتن طراحی شده و نتایج شبیهسازی در قسمت بعدی ارائه و مورد بحث قرار میگیرد.
-2 طراحی آنتن و پیکربندی
پیکربندی آنتن در شکل1 نشان داده شده است. آنتن ارائه شده با ابعاد20* 20 میلیمتر مربع بر روی زیر لایهی FR4 با ضریب گذردهی نسبی 4/4 و تانژانت تلفات0/02 و با ضخامت 1mm چاپ شده است. آنتن طراحی شده دارای یک عنصر تشعشعی، یک خط تغذیهی 50 اهم و یک صفحهی زمین ناقص با شکاف جزیی است.
در آنتنهای UWB فقط با اضافه نمودن یک شکاف جزیی در صفحهی زمین، میتوان آنها را طراحی نمود، اما در آنتنهای SWB علاوه بر اصلاح شکل زمین، اصلاح عنصر تشعشعی[7] و اصلاح تغذیه [12] نیز لازم است. که در مقالات مختلف از این روشها به صورت جداگانه و ترکیبی جهت دستیابی به این سیستمها استفاده شده است[7]، [8]، .[11] در آنتن ارائه شده نیز با ایجاد یک شکل جدید از عنصر تشعشعی و یک شکاف جزیی در صفحهی زمین موفق به طراحی یک آنتن SWB با استفاده از نرم افزار HFSS شدهایم. ابعاد آنتن در جدول شماره1 ارائه شده است.
-3 مطالعهی پارامتری ابعاد آنتن
یکی از مواردی که منجر به طراحی بهینه و مطلوب میشود، مطالعهی پارامتری آنتن است. مطالعهی پارامتری برای مقادیر مختلف بدین صورت است که یک پارامتر را بدون اصلاح بقیهی شکل تغییر میدهیم و نتایج شبیهسازی را با هم مقایسه می کنیم و بهترین نتیجه را انتخاب میکنیم. زمین در آنتنهای UWB نقش یک مدار تطبیق امپدانس را ایفا میکند و با تنظیم آن میتوان پهنای باند امپدانسی را تغییر داد، بنابراین اولین پارامتر مورد نظر g است. این پارامتر فاصلهی بین صفحهی زمین و المان تشعشعی را تعیین میکند.
در این حالت زمین را بدون شکاف جزیی در نظر گرفته و با تغییر پارامتر g شبیهسازی انجام میشود. همانطور که در شکل شماره2 مشاهده میگردد، مقدار مطلوب برای رسیدن به آنتن UWB با پهنای باند حداکثری g=0/47mm است. پارامتر دیگر تغییر طول و عرض شکاف است. در این حالت یک بار عرض را ثابت فرض کرده و طول شکاف دچار تغییر میشود و بار دوم این عمل به طور عکس اجرا می شود. همانطور که در شکل 3 و 4 مشاهده میشود، مطلوب ترین حالت برای شکاف مقادیر L= 6mm و W= 2 mm است. در نهایت نمودار امپدانس ورودی آنتن با ابعاد بهینه شده در شکل 5 رسم شده است. مطابق شکل آنتن در VSWR<2 دارای پهنای باندی بین 2/5 تا 49 گیگاهرتز است.
