که در آن C سرعت نور و L طول آنتن مایکرواستریپ مستطیلی و ضریب نفوذپذیری دی الکتریک است. از رابطه (۳-۳) چنین برمیآید که آنتن مایکرواستریپ دارای طول رزونانسی متناسب با است و استفاده ازدیالکتریکهایی که دارای ضریب نفوذپذیری بالاتری هستند منجر به آنتنهایی با ابعاد کچکتر میشوند.
این روش با وجود موثر بودن در کاهش ابعاد آنتن به دلیل نکات منفی بسیار زیادی که دارد، چندان مورد توجه نیست. زیرا با افزایش ضخامت بستر دیالکتریک، علاوه بر سنگین شدن آنتن، مقدار تلفات دیالکتریک نیز بالا میرود و علاوه بر کاهش راندمان آنتن موجب کاهش بهره به مقدار قابل توجه آنتن میگردد.
لذا روشهای دیگری نظیر تعبیه روزنهها و شکافهای مناسب، استفاده از بارگذاری عامل و غیر عامل در صفحهی زمین برای دستیابی به ابعاد کوچکتر مورد استفاده قرار میگیرد.
این روشها با وجود بهبود قابل توجه در ابعاد و پهنای باند، چندان ایدهال نیستند و منجر به اثرات نامطلوب در نمایههای تشعشعی آنتن ها و کاهش های راندمان تشعشعی میشوند و پلاریزاسیونهای ناخواستهای را در آنتن ایجاد می کنند که منجر به نامناسب شده طراحی میگردند.
۳-۸ روش های کاهش ابعاد آنتن مایکرواستریپ
۳-۸-۱ استفاده از اتصال کوتاه برای زیر لایه های نازک[۳۱]
در این روش که نمونه هایی از آن برای سه نوع آنتن در شکل (۳-۷) نشان داده شده است طراح با بهره گرفتن از قرار دادن یک پین اتصال کوتاه درآنتن، مکان ولتاژ صفر آنتن را که برای آنتن مستطیلی در (برای مورد ) و برای آنتن دایره ای (برای مورد ) در مرکز آن است، را جا به جا می کند.
این روش باعث می گردد تا رزونانس آنتن که به فاصله میان نقطۀ صفر ولتاژ و نقطهی ماکزیمم ولتاژ (در گوشهی آنتن) بستگی دارد، در فرکانس های پایین تر رخ دهد و به این روش برای روزنانس در یک فرکانس ثابت ابعاد آنتن کاهش می یابد [۷] ـ [۵].
شکل (۳-۷): نمونه هایی از اعمال اتصال کوتاه بر روی آنتن های با زیر لایۀ نازک برای کوچک سازی آنتن در (a) آنتن مستطیلی (b) آنتن دایره ای و © آنتن مثلثی
۳-۸-۲ شکاف گذاری در صفحه ی تشعشعی آنتن[۳۲]
در این روش با شکاف گذاری در لبه های غیرتشعشعی آنتن و درست به دلایلی که در روش قبل به آن اشاره گردید، امکان روزنانس در فرکانس های پایین تر فراهم می گردد. نمونه ای از این نوع آنتن در شکل (۳-۸) نشان داده شده است.
این روش اگرچه برای کاهش ابعاد آنتن مناسب است، اما اثر سوئی بر روی نمایهی تشعشعی آنتن دارد و مقدار پلاریزاسیون متعامد تشعشعی را در صفحۀ میدان مغناطیسی افزایش می دهد هر چند اثر آن بر روی نمایهی تشعشعی صفحه میدان الکتریکی ناچیز است [۱۰]-[۸] .
شکل (۳-۸) : هندسه ی یک نمونه از آنتن مایکرو استریپ با سطح تشعشعی تصحیح شده
۳-۸-۳ شکاف گذاری در صفحه زمین[۳۳]
روش فوق علاوه بر صفحهی تشعشعی بر روی صفحهی زمین نیز قابل اعمال است، هر چند این روش برای کاهش ابعاد آنتن توصیه نمی گردد زیرا هر گونه تغییر در صفحه زمین منجر به اثرات نامطلوبی بر روی تشعشع رو به عقب در آنتن دارد.
از نظر سازگاری الکترو مغناطیسی، به هیچ وجه مطلوب نیستند و ضریب کیفیت آنتن را کاهش می دهد اما به هر صورت این روش در برخی موارد به عناوین یک روش درکاهش ابعاد آنتن مطرح است [۱۱] نمونه ای از یک طراحی در شکل (۳-۹) نشان داده شده است.
شکل (۳-۹) : هندسه ی یک آنتن مستطیلی مایکرو استرویپ کوچک شده با صفحه ی زمین تصحیح شده
۳-۸-۴ استفاده از آنتن L شکل معکوس[۳۴] (PIL)
این نوع آنتن ها از جمله کاندیداهای بسیار مناسب برای دست یابی به آنتن های مجتمع هستند نمونه هایی از این نوع آنتن ها با تغذیۀ خط انتقال مایکرواستریپ در مراجع [۱۳]-[۱۲] بررسی شده اند.
این آنتن در واقع یک آنتن دوبانده است که فرکانس های روزنانس آن ضریبی از فرکانس رزونانس مود غالب یک آنتن مستطیلی معمولی هستند و ضریب تناسب فرکانس رزونانس مشخص با ابعاد کوچکتر قابل دست یابی می باشد.
این آنتن از جهت که قابلیت تطبیق امپدانس مناسبی را در دو باند فرکانسی خود دارد، بسیار مناسب است و به دلیل همین مشخصات PIL ها کاربرد های فراوانی در صنعت دارند. نمونه ای از هندسه این آنتن در شکل (۳-۱۰) نشان داده شده است.
شکل (۳-۱۰) : نمای هندسی یک آنتن PIL
۳-۸-۵ استفاده از آنتن U شکل معکوس یا آنتن های سر پوشیده[۳۵]
این نوع آنتن ها با افزایش طول آنتن و ثابت نگه داشتن سطح تشعشعی آنتن از طریق توسعه آنتن ها در ارتفاع فرکانس تشدید را کاهش می دهد و در نتیجه ابعاد آنتن برای یک فرکانس تشدید ثابت کاهش می یابد نمونه ای از این آنتن درشکل (۳-۱۱) نشان داده شده است.
شکل (۳-۱۱) : نمای هندسی آنتن U شکل معکوس با تغذیه ی کوپل روزنه H
۳-۸-۶ استفاده از بارگذاری دی الکتریک[۳۶]
در این روش آنتن مایکرواستریپ با یک لایه دی الکتریک که دارای ضریب نفوذ پذیری بالاتری نسبت به زیر لایه است پوشانده می گردد.
این روش یک شیفت فرکانس رزونانس به سمت فرکانس های پایین تر حاصل می گردد مقدار شیفت فرکانس تشدید متناسب بانسبت ضرایب نفوذ پذیری زیر لایه [۳۷] و لایه پوششی [۳۸] است [۱۵]-[۱۴] . این روش به دلیل تلفات لایه پوششی و حجیم و سنگین کردن آنتن کاربرد چندانی ندارد البته امروزه دانشمندان موفق به طراحی مواد باتلفات کم و ضریب نفوذ پذیری بالا شده اند اما کارایی روش های فوق سبب شده است تا استفاده از این روش چندان متداول نباشد.
روش های دیگری نیز با جایگزینی روزنه های مناسب در آنتن [۱۸]-[۱۶] توضیح داده می شود. دو روش اخیر بخصوص برای آنتن های مایکرواستریپ با زیر لایهی نازک مناسب هستند و به وسیله آنها خاصیت باریک بودن آنتن های مایکرواستریپ حفظ می شود.
فصل چهارم
طراحی و شبیه سازی آنتن مایکرواستریب کوچک شده
۴-۱ مقدمه
به لحاظ سنتی دلایل بسیاری برای استفاده از آنتنهای مایکرواستریپ با ابعاد کوچک وجود دارد که اکثر آنها به دلایل محدودیتهای فیزیکی است، آنتن مایکرواستریپ کوچک شده برای کاربردهای نظامی و امنیتی، ردیابی و دستگاههای الکتریکی پنهان و در ارتباطات بیسیم و موبایل کاربرد دارند. ریزنوارها به دلیل هزینه کم، ساخت راحت و اندازه کوچک از جایگاه ویژهای برخوردار میباشند ولی این آنتنها دارای نقاط ضعفی هستند که باعث ناتوانی آنها در بعضی از مصارف میشوند. اساسیترین ضعف این آنتنها کم بودن پهنای باند امپدانس و گین میباشد. یکی از روشهای بهبود عملکرد آنتنهای مایکرواستریپ استفاده از ساختار فرکتالی جهت کوچک کردن ابعاد آنتن یعنی ایجاد شکاف در صفحه پچ میباشد. در این فصل از یک ساختار شکل استفاده شده است که علاوه بر کوچک کردن ابعاد آنتن سبب بهبود پهنای باند آنتن مایکرواستریپ شده است. در ساختارهای قبلی از روشهای عددی گوناگونی استفاده شده است اما در اینجا از روش عددی المان محدود برای تحلیل ساختار استفاده می شود این روش عددی توسط نرمافزار روی ساختار اعمال شده است.
۴-۲ طراحی و شبیهسازی آنتن مایکرو استریپ ساده برای کاربرد ۵ گیگاه هرتز
ابتدا یک آنتن میکرواستریپ در فرکانس رزونانس ۵ گیگاهرتز طراحی شده، سپس با بهره گرفتن از این آنتن و ساختار فرکتالی کوچک شده یک آنتن مایکرواستریپ کوچک شده شکل طراحی کرده و در ادامه این دو آنتن را تحلیل کرده و نتایج با هم مقایسه میگردد. برای تغذیه آنتنهای فوق از روش تغذیه با کابل هممحور، پروب کواکسیال استفاده شده است و میتوان با تغییر محل تغذیه مقاومت ورودی تشدید کنترل شود. در صورتی که تغذیه در کنارها صورت گیرد مقاومت ورودی بیشترین مقدار و هنگامی که پچ در مرکز خود تغذیه گردد کمترین مقدار را خواهد داشت. مزایای این روش عدم افت تشعشعی ناشی از خط تغذیه و اشغال فضای کمتر میباشد. شکل (۴-۱) رسم شماتیک ساختار را نشان میدهد.
شکل (۴-۱). ساختار آنتن میکرواستریپ برای کاربرد ۵ گیگاهرتز
۴-۲-۱ پارامترهای طراحی آنتن
پارامترهای اساسی در طراحی آنتن مایکرواستریپ میتوان به امپدانس ورودی، تلفات بازگشتی[۳۹]، حداکثر توان قابل تحمل[۴۰]، الگوی تابشی[۴۱]، پهنای بیم نیم توان[۴۲]، پلاریزاسیون اشاره کرد و ملزومات مورد نیاز برای طراحی آنتن به دو دسته ملزومات فیزیکی و تشعشعی دستهبندی میشوند که به ترتیب صفحهای بودن آنتن و کوچک بودن ابعاد (حداکثر ۱۰۰)، گین بالا و خاصیت دوبانده از خصوصیات ملزوضات فوق میباشد. پارامترهای طراحی آنتن فوق به صورت زیر میباشند:
-
- ابعاد آنتن
-
- مشخصات زیرلایه
-
- ابعاد پچ تشعشعکننده
۴-۳ طراحی و شبیهسازی آنتن مایکرواستریپ کوچک شده
در آنتنهای مایکرواستریپ امواج سطحی روی سطح زیرلایه به وجود میآیند و باعث اتلاف توان ورودی میشوند و از طرفی دیگر این امواج سطحی به دلیل محدود بودن سطح زیرلایه آنتن از لبهها پراکنده شده و باعث به وجود آمدن لوپ پشتی می شود [۱ و ۲] یکی از روشهای بهبود عملکرد آنتنها استفاده از ساختار فرکتالی و ایجاد شکاف روی پچ است که علاوه بر کوچک شدن ابعاد آنتن سبب بهبود پهنای باند و دوبانده کردن آنتن شده است. در این با تغییر طول بازوهای شکاف این قابلیت وجود دارد که نسبت فرکانس تشدید اول به فرکانس تشدید دوم را در محدوده نسبتاً وسیعی تنظیم کرد. شکل (۴-۲) رسم شماتیک ساختار آنتن کوچک شده را نشان میدهد.
شکل (۴-۲). ساختار آنتن کوچک شده
۴-۳-۱ پارامترهای طراحی آنتن
کلیه پارامترهای طراحی آنتن کوچک شده همانند آنتن اول میباشد فقط در دو طرف پچ دو شکاف با ابعاد ایجاد گردیده است که با تغییر طول بازوهای این شکاف میتوان به محدوده وسیعی از نسبت فرکانس اول به فرکانس دوم دست یافت.
۴-۳-۲ کاهش ابعاد آنتن
سطح اشغالی توسط پچ مربعی ساده : ۲۴/۳ سانتیمترمریع
سطح اشغالی توسط پچ مربعی کوچک شده : ۷۴۴۴/۲ سانتیمتر مربع
کاهش سطح اشغالی : ۴۹۵۶/۰ سانتیمترمربع
آنتن مایکرواستریپ مربعی آنتن مایکرواستریپ مریعی کوچک شده
