آنتن های میکرواستریپ

آنتن های میکرواستریپ

آنتن های میکرواستریپ

آنتن ­های میکرواستریپ، تعريف و ساختار آن

• تعریفآنتن های میکرواستریپ ……………………………………………………………………………………………………..
• مزايا و معايب آنتن­هاي ميكرواستريپ ………………………………………………………………………………………
• انواع آنتن های میکرواستریپ …………………………………………………………………………………………………..
  • آنتن­های پچ میکرواستریپ ……………………………………………………………………………………………
  • آنتن­های دوقطبی میکرواستریپ………………………………………………………………………………………
  • آنتن­های اسلات میکرواستریپ………………………………………………………………………………………….
  • آنتن­های میکرواستریپ موج رونده…………………………………………………………………………………….
• کاربردهای آنتن های میکرواستریپ …………………………………………………………………………………………….
• انواع روش­هاي تغذيه آنتن های میکرواستریپ ………………………………………………………………………………
  • خط میکرواستریپ………………………………………………………………………………………………………….
  • پروب کواکسیال…………………………………………………………………………………………………………….
  • تزویج مجاورتی …………………………………………………………………………………………………………..
  • تزویج روزنه ای……………………………………………………………………………………………………………
  • تغذیه موجبری……………………………………………………………………………………………………………
• روش­های تحلیل آنتن های میکرواستریپ ……………………………………………………………………………………..
  • مدل خط انتقال……………………………………………………………………………………………………………
• اثرات لبه­اي…………………………………………………………………………………………………………………….
• تاثیر طول موثر در فرکانس رزونانس…………………………………………………………………………………….
• طراحی آنتن های میکرواستریپ ……………………………………………………………………………………………….
  • مدل محفظه………………………………………………………………………………………………………………..
• آرایش ميدان­ها (مدها)- ……………………………………………………………………………………….
• چگالي جريانهاي معادل…………………………………………………………………………………………………….
  • پارامترهاي مهم در بررسي عملكرد آنتن هاي ميكرواستريپي………………………………………………………..
    • پهناي باند فركانسي (امپدانسي) …………………………………………………………………………………….
    • پترن تشعشعي…………………………………………………………………………………………………………….
    • سمت­گرايي و بهره ………………………………………………………………………………………………………..
    • امپدانس ورودی درآنتن میکرواستریپ……………………………………………………………………………..

افزايش پهناي باند آنتنهاي ميكرواستريپ…………………………………………………………………………………

منابع آنتن های میکرواستریپ

تعریف آنتن های میکرواستریپ

مفهوم تشعشع کننده­های میکرواستریپ برای اولین بار توسط Deschamps در اواخر سال 1953 مطرح و اولین آنتن عملی درسال1970ساخته شد. از آن زمان به بعد تحقیقات وسیعی روی آنتن­های میکرواستریپ مختلف انجام شد. یک آنتن های میکرواستریپ در ساده ترین نوع پیکربندی، همانطور که در شکل1-1 نشان داده شده است، شامل یک عایق با ثابت دی الکتریک کمتر از 10 () است که در یک طرف آن، صفحه زمین و در طرف دیگر آن، صفحه تشعشعی قرارگرفته است. جنس صفحه هادی تشعشعی عموما از طلا و مس می باشد. این هادی شکل های متفاوتی می­تواند داشته باشد ولی معمولا شکل­هایی مورد استفاده قرار می­گیرند که انتظار می­رود عملکرد مناسبی داشته باشند و بتوان آن­ها را به راحتی مورد تحلیل قرار داد. انواع مختلف عایق­ها، ثابت دی الکتریک و تانژانت تلفات متفاوتی دارند. به طور ایده­ال در مبحث آنتن، ثابت دی الکتریک عایق برای افزایش میدان­های پراکندگی و تشعشع کننده باید کمتر از 5/2 باشد [1].

شکل 1-1: پیکربندی آنتن میکرو استریپ ساده[1[.

مزايا و معايب آنتن های میکرواستریپ

آنتن های میکرواستریپ مزایای متعددی نسبت به آنتن­های مرسوم مایکروویو دارند که باعث به کارگیری آن­ها در رنج وسیع فرکانسی از 100مگاهرتز تا 100گیگا هرتز شده است که بعضی از این مزایا عبارتند از : 

1) داشتن وزن و حجم كم و ساختار صفحه اي با ضخامت كم

2) امكان ساخت بصورت خیلی ارزان برای تولید انبوه

3) سادگي ساخت يكپارچه با MIC ها روي يك زيرلايه

4) امكان داشتن پلاريزاسيون خطي و يا دايروي با روش­های تغذیه آسان

5) امكان طراحي براي حالت دو فركانسي و دو پلاريزاسيون

6) خطوط تغذیه و شبکه های تطبیق بطور همزمان با ساختار آنتن ساخته می­شود.

آنتن­هاي میكرو استريپ با وجود داشتن اين مزايا دارای معايبي بصورت زير هستند:

1) پهناي باند باريك و مسائل مرتبط با خطاي ساخت

2) بهره كمتر

3) تلفات اهمی زیاد در ساختار تغذیه آرایه ها

4) تشعشع به صورت نیم صفحه

5) داشتن ساختار پیچیده تغذیه برای آرایه ها

6) داشتن خلوص پلاريزاسيون[1] ضعيف

7) تشعشعات فرعی از تغذیه و نقاط اتصال

8) تحریک موج­های سطحی

9) قابليت­هاي مديريت توان ضعيف

آنتن­هاي ميكرواستريپ پهناي باند باريكي در حد 1 تا 5 درصد در حالت عادي دارند كه معيار محدود كننده عمده براي كاربردهاي اين آنتن­ها مي­باشد. بيشترين تلاش محققين در اين مقوله صرف افزايش پهناي باند اين آنتن­ها شده است و پهناي باندهايي تا 70 درصد بدست آمده است [2] و [3].

آنتن های میکرواستریپ

جهت مشاهده نمونه های دیگر از مبانی نظری مهندسی برق کلیک کنید.

  انواع آنتن­ های میکرواستریپ

آنتن های میکرواستریپ نسبت به آنتن­های مرسوم مایکروویوی توسط تعداد زیادی از پارامترهای فیزیکی توصیف می­شوند. این آنتن­ها دارای انواع مختلفی با ویژگی­های مخصوص به خود بوده و برای کاربرد ­های

متنوعی با توجه به مشخصات مورد نظر استفاده می­شوند. تمام آنتن های میکرواستریپ به چهار دسته اصلی تقسیم بندی می­شوند:

• آنتن­های پچ میکرواستریپ
• آنتن­های دو قطبی میکرواستریپ
• آنتن­های اسلات میکرواستریپ
• آنتن­های میکرواستریپ موج رونده

 آنتن­ های پچ[2] میکرواستریپ

این آنتن­ها شامل یک پچ مسطح یا غیرمسطح که در یک طرف دی الکتریک و صفحه زمین در سوی دیگر دی الکتریک می­باشند. ضخانت پچ عموما در نظر گرفته می­شود. زیر لایه­های زیادی وجود دارند که برای طراحی آنتن­های میکرواستریپ استفاده می­شوند و ثابت­های دی الکتریک آن­ها معمولا در رنج بين2/2 تا12 می­باشند. ارتفاع زیرلایه در این آنتن­ها می­با­شد. ثابت­های دی الکتریک کم، دارای بازده بالا و پهنای باند بیشتری هستند که البته با بزرگتر بودن ارتفاع زیر لایه همراه است. زیر لایه­های نازک با ثابت­های دی الکتریک بیشتر برای مدارات مایکروویو مطلوبند چون آن­ها نیاز به میدان­های محدود دارند تا تشعشعات نامطلوب را مینیمم کنند، لکن دارای پهنای باند و بازده پایین­تری خواهند بود. پچ دارای اشکال مختلف می­باشد. مهمترین آن­ها که کاربرد عملی دارند و بیشتر در طراحی آنتن­ها مورد استفاده قرار می­گیرند، در شکل1-2 نشان داده شده است [1].

شكل 1-2: اشكال مختلف براي پچ ميكرواستريپ[1].

عموما پچ های مستطیلی و دایروی مورد استفاده قرار می گیرند، چون تحلیل و ساخت آن­ها ساده تر است و خواص تابشی خوبی دارند، به ویژه اینکه تابش پلاریزاسیون متقابل پایینی دارند،  و نوعاً آنتن­های پچ دارای بهره ی 5 الی 6 دسی بل و محدوده پهنای بیم dB3 آن از 70 تا 90 درجه می­باشد[1].

جهت مشاهده و دانلود آنتن های اسلات میکرواستریپ و تک قطبی چاپی کلیک کنید.

  آنتن­ های دو قطبی[3] میکرواستریپ

این نوع آنتن­ها نسبت به پچ از نظر شکل، دارای نسبت طول به پهنای متفاوتی هستند. پهنای آنتن­های دوقطبی معمولا کوچکتر از 05/0است. پترن­های تشعشعی آنتن­های پچ و دوقطبی بخاطر توزیع جریان طولی مشابه روی آنها یکسان است، ولی مقاومت تشعشعی، پهنای باند و پلاریزاسیون تقاطعی آن­ها بسیار متفاوت می­باشد[4]و[5]. آنتن­های دوقطبی میکرواستریپ از این جهت مورد توجه قرار می­گیرند که  پلاریزاسون خطی ایجاد کرده و فضای کمی را اشغال می­کنند لذا برای آرایه­ها مناسب می­باشند. این آنتن­­ها دارای کاربرد فراوان درفرکانس­های خیلی بالا هستند و بدین منظور زیر لایه­ی آن­ها ضخیم (بيانگر خازن با صفحات دور از هم، كاهش انرژي ذخيره شده و كاهش ضريب كيفيت) انتخاب می­گردد تا پهنای باند مناسب حاصل شود. شبکه تغذیه برای این آنتن­ها بسیار مهم بوده و در مرحله آنالیز باید در نظر گرفته شود. درشکل  1-3 یک نمونه از آنتن­های دوقطبی میکرواستریپی که به روش مجاورتی تغذیه شده است را مشاهده می­کنید [1].

[1] polarization purity

[2] Microstrip patch antenna

[3]  Microstrip dipole antenna

آنتن­ های اسلات میکرواستریپ[1]

در این نوع آنتن، یک اسلات درصفحه زمین یک زیرلایه زمین شده قرار گرفته است. در شکل1-4 بعضی از اشکال این نوع آنتن­ها نشان داده شده است. تغذیه این نوع آنتن­ها با استفاده از خطوط میکرواستریپ ویا موجبر کوپلانار[2] می­باشد. این آنتن­ها  معمولا تشعشع کننده های دوسویه هستند چون در هر دو سوی اسلات تشعشع می­کنند. تشعشع یک جهته زمانی بدست می­آید که یک  صفحه منعکس کننده در یک درطرف اسلات قرار داده شود[1]. آنتن­های اسلات نسبت به آنتن­های پچ مزایایی دارند. به عنوان مثال پهنای باند بیشتری ایجاد می­کنند و اصولا با آنتن­های اسلات می­توان تا حد امکان آنتن را فشرده ساخت. این آنتن ها در فصل سوم به تفصیل نوضیح داده شده­­اند.

[1]Microstrip Slot Antenna

1 Coplanar Waveguide

نمونه مراجع جهت مطالعه بیشتر آنتن های میکرواستریپ

• Ramesh Garg, Prakrash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, “Microstrip Antenna Design

 Handbook,” Artech House, 2000

• James, J. R., and P. S. Hall, Handbook of Microstrip Antennas, vol.1, London: Peter Peregrinus Ltd., 1989.
• Lee, H. F., and W. Chen, Advances in Microstrip and Printed Antennas, New York: John Wiley & Sons, 1997.
• James, J.R., and P.S. Hall (Eds.), Handbook of Microstrip Antennas, peter peregrines, London, UK,1989.
• Dubost,G., Flat Radiating Dipoles and Applications to Array, Research Studies Press, Newyork,1981.
• Jianxin Liang, “Antenna study and design for ultra wideband communication applications,” A thesis submitted to the University of London for the degree of Doctor of Philosophy, July 2006.
• A. Balanis, “Antenna Theory Analysis and Design,” 2005, John Wiley & Sons, INC.
• Girish Kumar and K.P. Ray, “Broadband microstrip antennas,”2003, ARTECH HOUSE, INC.
• Garg, P. Bahartia, I. Bahl and A. Itripiboon, “Microstrip Antenna Design Handbook,” 2001.
• Menzel, W., and W. Grabeherr, “A Microstrip Patch Antenna with Coplanar Line Feed”IEEE Microwave and Guided Wave Lett., vol.1, 1991, pp.340-342.
• Smith, R., and J.T .Williams, “Coplanar Waveguide Feed for Microstrip Patch Antennas, lett” vol.28, 1992.pp.2272-2274.
• Yang and Y. Rahmat-Samii, “Patch antennas with switchable slots (PASS) in wireless communications: concepts, designs and applications,” IEEE Antennas Propag. Mag., vol.47, no. 2, pp.13–29, Apr.2005.
• K. Agrawal and M. C. Bailey, “An Analysis Technique for Micnistrip Antennas,” IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol.25, no.6, pp.756-759, November 1977.
• C. Bailey and M. D. Deshpande, “Integral Equation Formulation of  Microstrip Antennas,” IEEE Trans. Antennas Propagat, vol.30, no.4, pp.651-656, July 1982
  

  .

• آنتن های میکرواستریپ