آنتن­های دریانوردی و هوانوردی

 

 

ارتباطات و جهت یابی٬ ارتفاع سنجی٬سیستمهای فرود کم دید

 

 

 

موشک­ها

 

 

رادار

 

 

 

ارتباطات ماهوارهای

 

 

پخش برنامه ­های تلویزیونی٬ آنتن­های روی وسایل نقلیه٬ مخابرات
۷

 

 

۱-۵ انواع روش­های تغذیه آنتن­های میکرواستریپ
روش­های تغذیه، امپدانس ورودی و مشخصه­های آنتن را تحت تاثیر قرار می­ دهند و یکی از پارامترهای مهم طراحی آنتن می­باشند. در انتخاب روش تغذیه آنتن عوامل متعددی در نظر گرفته می­ شود که مهمترین آن­ها انتقال توان بهینه بین ساختار تشعشعی و تغذیه و یا به عبارتی تطبیق امپدانسی بین این دو می­باشد لذا مبدل­های امپدانس پله­ای، خم­ها، استاب­ها و اتصالات، رابطه عدم ناپیوستگی­ها با تشعشع مصنوعی[۷] وافت امواج سطحی[۸] را معین می­ کنند. کاستن تشعشع مصنوعی و اثر آن روی پترن تشعشعی یکی از فاکتورهای مهم در برررسی تغذیه است[۱]. پنج تکنیک اصلی و متداول زیر برای تغذیه آنتن­های میکرواستریپ می­توان استفاده کرد که عبارتند از :

 

برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت tinoz.ir مراجعه کنید.

 

خط میکرواستریپ

پروپ کواکسیال

تزویج مجاورتی

تزویج روزنه­ای

تزویج موجبری

۱-۵-۱ تغذیه­ به روش خط میکرواستریپ[۹]
تحریک آنتن میکرواستریپ توسط خط میکرواستریپ روی همان زیر لایه بنظر می­رسد که انتخاب طبیعی باشد، زیرا پچ به صورت گسترش یافته خط میکرواستریپ می­باشد، و ضمناً به طور همزمان با یکدیگر ساخته می­شوند وکوپلینگ بین خط میکرواستریپ و پچ می تواند به فرم لبه و یا از طریق شکاف بین آن­ها باشد. این دو حالت و مدارهای معادل آن­ها در شکل­­های ۱-۵ و۱-۶ نشان داده می­شوند. مدل کردن تغذیه به فرم لبه بر اساس “اتصال پله در عرض /پهنا”[۱۰] می­باشد. در این روش امپدانس ورودی پچ در لبه تشعشع کننده در مقایسه با امپدانس ۵۰ اهم خط تغذیه خیلی بزرگ است لذا یک مدار تطیبق امپدانس خارجی بین لبه پچ و خط میکرواستریپ ۵۰ اهم لازم است. البته این مدار تطبیق امپدانس باتوجه به آنکه تشعشع مصنوعی را افزایش می­دهد و در آرایه توصیه نمی­ شود، زیرا فضای فیزیکی روی زیرلایه غیر قابل دسترس خواهد شد. همچنین مدل کردن تغذیه به فرم کوپل شکاف بر اساس مدار معادل شکاف می­باشد. در این روش لازم است عرض شکاف باریکی داشته باشیم، تا کوپلینگ توان بهینه شود. اما عرض شکاف باریک، باعث محدودیت توان آنتن می­ شود. بیشتر وقتها انتهای باز خط میکرواستریپ تشعشع مصنوعی را افزایش می­دهد[۱]. مزیت این روش آن است که می­توان آنتن وخط تغذیه راهمزمان روی یک لایه عایق طراحی کرد و عیب این روش عدم انعطاف پذیری در طراحی است، به عبارتی چون آنتن وخط تغذیه هردو روی یک لایه عایق قرار می­گیرند، درنتیجه تشعشعات ناخواسته وجوددارد [۸].
۸

شکل ۱-۶: تغذیه به روش خط میکرو استریپ به فرم لبه و مدار معادل آن[۱].

شکل ۱-۷: تغذیه به روش خط میکرو استریپ از طریق شکاف و مدار معادل آن[۱].
۱-۵-۲ تغذیه به روش پروب کواکسیال[۱۱]
یکی دیگر از متدهای اساسی تحریک یک آنتن میکرواستریپ تغذیه به روش کابل کواکسیال بوده که در این روش هادی بیرونی کواکسیال به قسمت زیرین برد مدار چاپی متصل شده و هادی مرکزی بعد از گذر از طریق زیر لایه به فلز پچ لحیم می­ شود. ساختار تغذیه با روش کابل کواکسیال ومدارمعادل در شکل ۱-۸ نشان داده شده است. پچ را به صورت سمبولیک با مدار R-L-C که نشان دهنده طبیعت رزونانسی آن است ارائه می­دهند. محل اتصال کابل به آنتن نقش اساسی در تحریک مد خاصی در آنتن و تطبیق امپدانسی دارد. مزایای این نوع تغذیه در سادگی طراحی جهت تعیین نقطه تغذیه برای تنظیم سطح امپدانس ورودی است. اما از محدودیت های این نوع تغذیه می توان به موارد زیر اشاره نمود [۸]:
۹
۱) برای تغذیه یک آرایه نیاز به تعداد زیادی اتصالات لحیم است که ساخت آنتن را مشکل می­ کند.
۲) برای اینکه پهنای باند آنتن افزایش یابد، نیاز به زیر لایه های ضخیم تر است لذا در این نوع تغذیه باید طول هادی پروب بلندتر انتخاب شود و این امر باعث می شود که تشعشع مصنوعی از پروب بیشتر شده و ضمناً توان موج سطحی واندوکتانس تغذیه زیاد شود. البته اندوکتانس تغذیه توسط خازن سری جبران سازی می­ شود.
۳) درنظرگرفتن اثرخط تغذیه درآنالیزآن مشکل است.
۴) پهنای باند کم است.

شکل ۱-۸: : آنتن با تغذیه به روش کابل کواکسیال: (الف) شمای آنتن. (ب) مدارمعادل تغذیه به روش کابل کواکسیال[۱].
۱-۵-۳ تغذیه به روش تزویج مجاورتی[۱۲]
تکنولوژی آنتن میکرواستریپ به نقطه عطف خود در اواخر سال ۱۹۷۰ رسید. گسترش این تکنولوژی جدید آنقدر­سریع بود که تا سال ۱۹۸۰روش­های آنالیز، طراحی و مدل نمودن المان­های آنتن میکرواستریپ و آرایه ها بوجود آمدند. در همان زمان آشکار شد که عملکرد آنتن میکرواستریپ توسط کابل کواکسیال یا خط میکرواستریپ بیش از حد معینی بهبود نمی­یابد، زیرا طراحان پارامترهای زیادی نداشتند تا به کمک آنها عملکرد آنتن­های میکرواستریپ را بهبود بخشند. با تحقیقات بعدی جهت بهبود مشخصه­­های آنتن همانند پهنای باند، ساختارهای تغذیه جدید درجات آزادی بیشتری فراهم نمود .از مهمترین سیستم­های تغذیه موفق آنتن میکرواستریپ می­توان به کوپل مجاور و کوپل دریچه­ای اشاره نمود.
۱۰
آرایش اولین نوع تغذیه غیر اتصالی به صورت استفاده از دو زیرلایه با خط میکرواستریپ برروی زیر لایه پائینی و پچ آنتن برروی زیرلایه بالایی است. خط تغذیه به صورت انتها باز در زیر پچ خاتمه می­یابد. این نوع تغذیه به نام کوپل الکترومغناطیسی[۱۳] خط تغذیه میکرواستریپ نیز خوانده می­ شود. مقدار تزویج به محل خط تغذیه وجهت نسبی آن بستگی دارد. مدار معادل این نوع تغذیه در شکل ۱-۹ ترسیم شده است. می بینیم که خازن کوپلینگ Cc به صورت سری با مدار رزونانس R-L-C که نشان دهنده پچ می­باشد، قرار گرفته است. دراین مدار معادل، خازن کوپلینگ Cc برای تطبیق امپدانسی آنتن و هم چنین برای تنظیم پچ جهت بهبود پهنای باند استفاده می­ شود]۱[. پارامترهای زیرلایه ­ها به گونه­ ای انتخاب می­ شود که باعث افزایش پهنای باند وکاهش تشعشع مصنوعی ازانتهای بازشود. ساخت این نوع تغذیه ازآنجایی که پچ وخط تغذیه باید به صورت دقیق تنظیم شوند، اندکی مشکل است اما دراین روش نیازی به لحیم کاری نمی ­باشد .دراین نوع تغذیه، ثابت دی الکتریک زیرلایه آنتن، پهنای باند وراندمان تشعشعی آنتن راتنظیم می­ کند. بااستفاده ازمواد با ثابت دی الکتریک پائین­تر می­توان به پهنای باند امپدانسی پهن­تر دست یافت وضمنا تحریک امواج سطحی کمترخواهد شد. ضخامت زیرلایه آنتن روی پهنای باند و سطح کوپلینگ اثردارد. البته چنانچه زیرلایه آنتن ضخیم باشد پهنای باند افزایش می یابد اما کوپلینگ کاهش می­یابد[۱].

شکل ۱-۹: آنتن با تغذیه کوپلاژالکترومغناطیسی: (الف) شمای آنتن. (ب) مدارمعادل تغذیه کوپلاژالکترومغناطیسی]۱[.
۱۱
۱-۵-۴ تغذیه به روش تزویج روزنه­ای[۱۴]
ساختار و مدار معادل این روش تغذیه در شکل ۱-۱۰ نشان داده شده است. ساختار از دو دی الکتریک تشکیل شده که با یک صفحه زمین جدا شده ­اند. بر روی سطح فوقانی دی الکتریک بالایی، المان تشعشع کننده و در زیر دی الکتریک تحتانی، خط تغذیه میکرواستریپ قرار دارد. در زیر پچ و در روی صفحه زمین هم یک شیار وجود دارد که تزویج الکترومغناطیسی از این طریق صورت می­گیرد. بطور معمول از یک ماده با ضریب دی الکتریک بالا برای زیرلایه پایینی استفاده می­ شود و زیرلایه بالایی ضخیم و با ضریب دی الکتریک کم انتخاب می­گردد. صفحه زمین ما بین زیرلایه ها، خط تغذیه را از پچ جدا کرده و تداخل تشعشعات غیر مطلوب را به حداقل می­رسند. در این روش پارامترهای الکتریکی زیرلایه، عرض خط تغذیه و اندازه و محل شیار میتواند جهت بهینه کردن طراحی تنظیم شود. انتخاب مناسب شیار بر روی مقدار تزویج انرژی از خط تغذیه بر المان موثر است. برای اینکه تشعشع نامطلوب به عقب نسبت به تشعشع به جلو کم شود، ابعاد روزنه باید درست محاسبه شوند. همچنین به بهای اضافه شدن تشعشع به عقب می­توان روزنه را چنان انتخاب کرد تا روزنه تشدید شده و در فرکانسی نزدیک فرکانس پچ به حالت رزونانس در آید. این امر باعث بزرگتر شدن پهنای باند می­ شود [۹]. می­توان با تغییر دادن موقعیت شیار موجود در صفحه زمین مقدار انرژی تزویج شده به المان تشعشع کننده را تغییر داد به طوریکه تغییر در موقعیت شیار نسبت به مرکز پچ، باعث تغییر فرکانس تشدید خواهد شد. مقدار این تغییرات به میزان فاصله از مرکز پچ بستگی خواهد داشت. اگر شیار در زیر مرکز پچ واقع شود، بیشترین تزویج الکترومغناطیسی ایجاد خواهد شد.

شکل ۱- ۱۰: آنتن با تغذیه روزنه­ای: (الف): شمای آنتن. (ب) مدارمعادل تغذیه روزنه­ای]۱[.
۱۲
در مدار معادل این نوع تغذیه شکاف رزونانس نمی­ کند توسط سلف سری با مدار R-L-C نشان داده شده است. همچنین استاب میکرواستریپ مدار باز با طول توسط یک خازن موازی معادل سازی می­ شود.
۱-۵-۵ تغذیه موجبری[۱۵]
این نوع تغذیه جهت مدارات مجتمع مایکروویو استفاده می­ شود]۹[، به طوریکه برای تجمیع آنتن­های میکرواستریپ با MMIC ها لازم است که آنتن­های میکرواستریپ با CPW تغذیه شود]۱۰[ و]۱۱[. دراین روش که در شکل ۱-۱۱ نشان داده شده است، کوپلینگ از طریق یک اسلات انجام می­ شود. آرایش کوپلینگ در این روش شبیه کوپلینگ دریچه­ای است با این تفاوت که اسلات در صفحه زمین توسط خط میکرواستریپ در آنتن­های میکرواستریپ کوپلینگ دریچه­ای تغذیه می­ شود. تشعشع از ساختار تغذیه کم است. این موضوع نیز تأئید شده است که خطوط میکرواستریپ مدار باز وقتی روی زیرلایه ­هایی با ثابت دی الکتریک پایین و نازک ساخته می­شوند، قدرت بیشتری را تشعش می­ کنند]۱[و ]۸[.

شکل ۱-۱۱: آنتن با تغذیه به روش موجبری]۸[.
۱-۶ روش­های تحلیل آنتن میکرواستریپ
روش های زیادی برای تحلیل آنتن­های میکرواستریپ وجود دارد. متداولترین این روش ها عبارتند از

 

 

مدل خط انتقال[۱۶]

مدل محفظه[۱۷]

مدل تمام موج[۱۸]

۱۳
مدل خط انتقال، از همه ساده­تر است و دید فیزیکی خوبی می­دهد. ولی دقت پایین دارد و برای مدل کوپلینگ دشوارتر است[۱۲]. مدل محفظه در مقایسه با مدل خط انتقال دقیقتر و پیچیده تر است. این روش دید فیزیکی مناسبی می­دهد ولی برای مدل کوپلینگ مشکل تر است[۱۳]. در کل مدل های تمام موج در عمل بسیار دقیق هستند و همیشه دید فیزیکی کمی می­ دهند و می­توانند برای آرایه­های محدود و نامحدود استفاده شوند والمان­های با شکل دلخواه و کوپلینگ را مورد بررسی قرار دهند. در این بخش فقط مدل­های خط انتقال و محفظه را بررسی می­کنیم.
۱-۶-۱ مدل خط انتقال
پیش از این بیان شده بود که مدل خط انتقال بین متدهای تحلیلی ارائه شده آسانترین روش است در عین حال دقت آن به نسبت سایر روشها کمتر بوده و تنوع کمتری دارد و در عین حال این روش دید فیزیکی خوبی می­دهد. اساسا مدل خط انتقال، آنتن میکرواستریپ را بوسیله دو شیار که با یک خط انتقال با امپدانس ZC و طولL از هم جدا شده ­اند، نشان می­دهد.[۷].

 

 

اثرات لبه­ای[۱۹]

از آنجایی که ابعاد پچ از نظر طول و عرض محدود است، میدان­ها در لبه­های پچ به حاشیه می­روند. مقدار این میدان­­های لبه­ای تابعی از ابعاد پچ و ارتفاع زیر لایه است.از آنجایی که در آنتن­های مایکرواستریپ است لذا میدان لبه­ای کم است اما به هر حال باید اثرات آن را بر روی فرکانس آنتن در نظرگرفت. خط مایکرواستریپ در شکل ۱-۱۲- الف و خطوط میدان مربوط به آن در شکل۱-۱۲- ب نمایش داده شده است. خط میکرواستریپ از دو دی الکتریک مختلف، هوا و زیر لایه تشکیل شده و همانطور که دیده می­ شود بیشتر خطوط میدان الکتریکی در قسمت زیر لایه قرار گرفته و برخی از این خطوط به سمت هوا خارج می­ شود. به ازای و خطوط میدان الکتریکی غالبا در زیرلایه متمرکز می­ شود. میدان­های لبه­ای در این مورد سبب می­ شود که طول خط مایکرواستریپ از نظر الکتریکی بیشتر از طول فیزیکی آن باشد. از آنجایی که برخی از امواج در زیرلایه و برخی دیگر در هوا منتشر می­شوند، جهت در نظر گرفتن انتشار موج و میدان­های لبه­ای، پارامتر دیگری به عنوان ثابت دی الکتریک موثر معرفی می­گردد. برای معرفی ثابت دی الکتریک موثر فرض می­کنیم که هادی مرکزی خط مایکرواستریپ به همراه ابعاد و ارتفاع اصلی آن در بالای صفحه زمین مانند شکل ۱-۱۲– ج در یک دی است به طوری که ویژگی­های الکتریکی و به ویژه ثابت انتشاری معادل خط اصلی شکل ۱-۱۲- الف را داشته باشد. برای یک خط که هوا در بالای زیر لایه آن وجود دارد ثابت دی الکتریک موثر مقداری در رنج خواهد داشت. برای بسیاری از کاربردها جایی که ثابت دی الکتریک زیرلایه بسیار بزرگتر از یک است مقدار به مقدار ثابت دی الکتریک واقعی زیرلایه نزدیک می­ شود. ثابت دی الکتریک موثر تابعی از فرکانس است با افزایش فرکانس کار بیشتر خطوط میدان در زیر لایه متمرکز می­شوند. از این رو خط مایکرواستریپ بیشتر شبیه یک خط دی الکتریک همگن رفتار می­ کند و مقدار ثابت دی الکتریک موثر با مقدار ثابت دی الکتریک زیرلایه مساوی می­ شود
۱۴
.

شکل ۱-۱۲: خط مایکرواستریپ و خطوط میدان الکتریکی مربوط به آن[۷].