۲ -۲-۲ روشهای افزایش پهنای باند آنتنهای تکقطبی چاپی
در بخش قبلی دیدیم که به علت ساختار ذاتی آنتنهای تک قطبی چاپی، آنها قادر به ایجاد پهنای باند بسیار وسیعتری نسبت به آنتنهای پچ میکرواستریپی میباشند. ولی این باند وسیع ممکن است که نتواند بعضی سیستمها از قبیل UWB را پوشش دهد. یا به معنای دیگر، این نوع آنتنها پهنای بسیار وسیعی را تولید می کنند ولی در بیشتر موارد نمی توانند پهنای مورد نیاز برای سیستم UWB (از ۱/۳ تا ۶/۱۰ گیگا هرتز) را ارائه کنند. البته این مورد بیشتر در حالتی صدق می کند که پچ تشعشعی دارای شکل مستطیلی یا مربعی باشد، زیراکه اشکال دیگر از جمله دایروی و بیضوی در ذات ساختاری خود چندین مود تشعشعی را پوشش داده و میتوانند همزمان آنها را تحریک کنند. اکثریت بخشهای جدیدی که در تحقیقات سالهای اخیر به منظور افزایش پهنای باند امپدانسی یا بهبود تطبیق امپدانسی به ساختار آنتن اضافه شدهاند میتوانند در دو دیدگاه مختلف بررسی شده و یا به عبارتی به دو شیوه متفاوت مورد ارزیابی قرار بگیرند که عبارتند از]۲۲[:
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
الف) کلیه تغییراتی که بر روی پچ تشعشعی انجام میگیرند به نوعی امپدانس خط مربوط به انتقال جریان سطحی را از نقطه تغذیه (ابتدای خط میکرواستریپ که به کانکتور چسبیده است) تا انتهای پچ تشعشعی را دچار تغییر می کند. در این حالت، بجای دو تغییر در مشخصه امپدانسی در مسیر خط انتقال میکرواستریپی (در ابتدا و انتهای پچ تشعشعی)، تغییرات بیشتری را شاهد خواهیم بود و لذا مطمئناً این امر باعث تشدید مودهای رزونانسی بیشتری خواهد شد. با طراحی دقیقتر میتوان باعث همپوشانی این مودهای جدید شده و در نتیجه پهنای باند را بیش از پیش افزایش داده و حتی تطبیق امپدانسی را بسیار بهبود بخشید.
۴۳
ب) در دیدگاه دوم، کل ساختار آنتن تک قطبی چاپی به عنوان یک آنتن دو قطبی فرض می شود که در نتیجه هم پچ تشعشعی بهمراه خط میکرواستریپی متصل به آن و همچنین صفحه زمین هریک به عنوان یک قطب آنتن یا یک بخش تشعشعی مستقلفرض می شود. این دیدگاه نیز بیشتر در مواردی ارائه شده است که هدف تغییر در ساختار صفحه زمین به جهت افزایش پهنای باند باشد [۲۵] .
سادهترین و البته پرکاربردترین شیوه که تا بحال برای افزایش پهنای باند امپدانسی برای آنتنهای تک قطبی در حالت چاپی استفاده شده است در شکل ۲-۱۲ دیده می شود. این روش بدین حالت در ابتدا درمرجع [۲۶] معرفی گردید.
شکل ۲-۱۲ : آنتن تک قطبی چاپی با پهنای باند افزایش یافته با بهره گرفتن از شکافهایی در پچ تشعشعی و صفحه زمین [۲۶].
همان طور که در شکل مشاهده می شود، آنتن پایه، یک آنتن تک قطبی چاپی با پچ تشعشعی مستطیلی شکل و با تغذیه میکرواستریپی میباشد. دو تغییر عمده در ساختار آنتن در مقایسه با شکل ۲-۲ دیده می شود که عبارتند از الف) استفاده از دو شکاف (بریدگی) مستطیلی در دو طرف پچ تشعشعی و در لبه پایینی آن با ابعاد W1 × L1، ب) استفاده از یک بریدگی مستطیلی شکل در لبه بالایی صفحه زمین با ابعادW2 × L2 ، هر دو تغییر بکار برده شده از عوامل بسیار مهم در بهبود مشخصات امپدانسی آنتن محسوب می شود.
۴۴
در تغییر اول، با اضافه شدن دو بریدگی مستطیلی شکل به دو طرف پچ تشعشعی در لبه پایین، در واقع یک تغییر امپدانسی در طول مسیر خط میکرواستریپی صورت می گیرد که باعث تولید مودهای تشعشعی بیشتری می شود که این خود عامل اصلی در افزایش پهنای باند است. در این حالت پارامتر اصلی طول L1 میباشد که در راستای محور y و طولانیترین مسیر جریان روی لبههای پچ تشعشعی میباشد. پارامتر W1 تأثیرات کمتری دارد و میتوان اثر آنرا تقریباً نادیده گرفت. البته این پارامتر نیز باید بطور مناسبی بهینه شود. در شکل ۲-۱۳ نمودار S11 (Return Loss) برای مقادیر مختلفی از پارامتر L1 برای بررسی دقیقتر ارائه شده است.
شکل ۲- ۱۳ : نمودار S11 برای مقادیر مختلف L1 ( = ۱ W1 میلیمتر) [۲۶].
همانطور که دیده می شود با افزایش مقدار این پارامتر، موقعیت رزونانس دوم عوض شده و افزایش مییابد. در حالیکه مکان رزونانس اول تقریباً ثابت است. در واقع این پارامتر عامل اصلی در تعیین تطبیق امپدانسی باند بالاتر و همچنین لبه بالایی باند فرکانسی میباشد. با توجه به شکل، با انتخاب ۲ = L1 میلی متر و یا مقدار ۳ میلیمتر میتوان پهنای باند لازم برای باند UWB را پوشش داد البته با کمی اختلاف در میزان تطبیق امپدانسی در باند بالاتر. این پدیده بدین صورت نیز می تواند تشریح شود که وقتی دو بریدگی در دو طرف لبه پایین پچ به ساختار اضافه می شود آنگاه برخلاف حالت ساده، در این حالت خازنهای تزویجی مختلفی بین لبه بالایی زمین با لبههای جدید ایجاد شده در بخش پایینی پچ تشعشعی شکل میگیرند. در نتیجه انتظار داریم تا مودهای تشعشعی بیشتری ایجاد شده و رزونانس کنند. وضعیت گسترش یافته این روش به حالتی است که در آن دو لبه کناری پچ تشعشعی (در سمت راست و چپ) دارای چندین بریدگی با ابعاد و موقعیتهای مختلف باشد. در این حالت تغییر امپدانسهای بیشتری خواهیم داشت که مطمئناً با طراحی دقیقتر شاهد افزایش باند بیشتری خواهیم بود. همچنین در این حالت میزان تغییر امپدانسی هم کاسته شده و در واقع تغییر ناگهانی امپدانسی نخواهیم داشت. این قضیه نیز از طرف دیگر باعث بهبود تطبیق امپدانسی خواهد شد.
۴۵
با توجه به شکل ۲-۱۲ بخش دیگری که به ساختار آنتن اضافه شده است، بریدگی مستطیلی شکل در لبه بالایی زمین میباشد. در این حالت هر دو بعد این بریدگی (L2 وW2 ) پارامترهای مهم در افزایش پهنای باند، تعیین لبه بالایی باند و میزان تطبیق امپدانسی میباشند. در این حالت، صفحه زمین تغییر شکل یافته در واقع به عنوان یک تطبیق دهنده امپدانسی عمل می کند تا بتواند خاصیت سلفی پچ تشعشعی را حدالامکان خنثی کرده و امپدانس آنتن را به مقدار حقیقی خالص نزدیک کند. در واقع این بریدگی به عنوان یک خازن تزویجی معادل بین لبه بالایی زمین با پچ تشعشعی به حساب می آید. با بهره گرفتن از این شیوه، با نزدیک شده امپدانس آنتن به مقدار حقیقی خالص خود میتوان پهنای باند آنتن را بطور چشمگیری افزایش داد. از طرف دیگر این مورد را نیز باید در نظر داشته باشیم که با افزایش مقدار پارامتر L2 یا W2، اصولاً باید طول مسیر جریان روی لبه پچ تشعشعی تا لبه زمین افزایش یابد که این خود باعث کاهش فرکانس لبه پایین باند خواهد شد. شکل ۲-۱۴ نمودار S11 را برای مقادیر مختلفی از پارامتر L2 نشان میدهد.
شکل ۲-۱۴ : نمودار S11 برای مقادیر مختلف L2 ( = ۶ W2 میلیمتر) [۲۶].
۴۶
از این نمودار مشخص است که برای مقادیر بالایی از این پارامتر، پهنای باند پایینی بدست می آید و با انتخاب مناسب آن در مقادیر پایین هم میتوان پهنای باند بالا داشت و هم تطبیق مناسبی را در کل باند UWB (از ۱/۳ تا ۶/۱۰ گیگا هرتز) بدست آورد.
پارامتر مهم دیگر که نقش اساسی در عملکرد امپدانسی آنتن دارد، W2 است که برای مقادیر مختلف آن، نمودار S11 در شکل ۲-۱۵ ارائه شده است. از این نمودار مشاهده میکنیم که تغییرات این پارامتر تأثیرات زیادی روی عملکرد آنتن به خصوص روی فرکانس لبه بالایی و پایینی باند، پهنای باند کلی و تطبیق امپدانسی دارد. مقدار بهینه این پارامتر نیز باید میزان بالایی داشته باشد. در کل میتوانیم بگوییم که با بهره گرفتن از این دو روش و با طراحی دقیقتر در هر حالتی میتوان بهبود مشخصات امپدانسی را شاهد بود.
شکل ۲-۱۵ : نمودار S11 برای مقادیر مختلف W2 ( = ۱ L2 میلیمتر) [۲۶]
۲– ۲-۳ روشهای بهبود مشخصات تشعشعی آنتنهای تکقطبی چاپی
در بخش قبلی روشهای مختلف افزایش پهنای باند و بهبود تطبیق امپدانسی را مرور کردیم. برای این نوع آنتنها علاوه بر این موارد داشتن مشخصات تشعشعی مناسب از جمله پترن تشعشعی همه جهته بسیار مطلوب است. در ساختارهای معمولِ این نوع آنتنها، با افزایش فرکانس مقدار طول موج با ابعاد آنتن قابل مقایسه شده و در نتیجه باعث تخریب پترن تشعشعی می شود. در فرکانسهای بالا دو حالت تقریباً همزمان بوجود می آید که عبارتند از ]۲۲[:
۴۷
۱) تخریب پترن تشعشعی، به خصوص صفحه میدان مغناطیسی (H-plane) به صورتی که بیمهای فرعی بیشتری در بدنه پترن تولید میشوند.
۲) جهتدارتر شدن پترن تشعشعی به خصوص H-plane در راستای عمود بر صفحه آنتن.
البته باید گفت که پترن تشعشعی صفحه میدان الکتریکی (E-plane) نیز همانند نوع دیگر آن دچار تخریب بسیار از جمله بوجود آمدن بیمهای فرعی در بدنه خود می شود [۲۷].
در کل باید گفت که با توجه به پیشرفت های تکنولوژی و نیاز سیستم های آینده برای استفاده از باندهای فرکانسی بالاتر، دستیابی به ساختارهایی که بتوانند در فرکانس های بالاتر نیز پترن تشعشعی مناسبی ارائه کنند از نیازهای بسیار مهم است.
یک آنتن تک قطبی چاپی در حالت عمومی از یک صفحه تشعشعی با اشکال مختلف و تغذیه میکرواستریپی متصل به آن و یک صفحه زمین ناقص در زیر زیرلایه تشکیل شده است. در این حالت صفحه زمین چند برابر پچ تشعشعی در نظر گرفته می شود که عامل اصلی در افزایش ابعاد آنتن است. از طرف دیگر استفاده از این چنین ساختاری باعث می شود که راستای بیشینه مقدار پترن تشعشعی با تغییر فرکانس، بسیار عوض شود [۲۷]. برای بهبود عملکرد تشعشعی این نوع آنتنها روشهای مختلفی تاکنون ارائه شده است که فقط به دو نمونه اصلی و مهم آن اشاره میکنیم. روشهای دیگر اشکالات مهمی از جمله پیچیدگی بسیار زیاد و ساختاری بزرگ پدید میآورند. تحقیقات اخیر نشان داده است که استفاده از تغذیه میکرواستریپی با اتصالات چند شاخهای به پچ تشعشعی باعث بهبود مشخصات پلاریزاسیونی آنتن و در نتیجه پترن تشعشعی می شود. در شکل ۲-۱۵، یک نمونه اصلی از این ساختارها نشان داده شده است. در این ساختار از یک تغذیه سه شاخهای استفاده شده است و دارای عملکرد بسیار خوبی میباشد. در آنتنهای تک قطبی چاپی با تغذیه تنها یک خط میکرواستریپ، اکثراً مود جریان افقی در راستای عمود بر خط تغذیه روی بدنه پچ وجود دارد [۲۷]. این موضوع چندین موضوع دیگر را نیز شامل می شود که عبارتند از عدم امکان تولید پلاریزاسیون دایروی، افزایش نیافتن بیش از اندازه پهنای باند و همچنین عدم ثبات و همه جهته ماندن پترن تشعشعی با افزایش فرکانس. با بهره گرفتن از تغذیه چند شاخه اقدام به تشدید بیشتر مودهای جریان عمودی روی پچ میکنیم که در این صورت مشاهده میکنیم که نه تنها پهنای باند امپدانسی بیشتر می شود بلکه پهنای باند تشعشعی آنتن نیز کاملاً محسوس افزایش مییابد. یا به معنای دیگر در فرکانسهای بالاتر نیز پایداری پترن تشعشعی باقی میماند. این قضیه با بهره گیری از ساختاری همسان با ساختار بخش شکل ۲-۱۶، با درجه بالا قابل حصول است.
۴۸
این ساختار بجز استفاده از تغذیه سه شاخهای، ویژگی مهم دیگری نیز دارد که موجب بهبود هرچه بیشتر مشخصات تشعشعی و امپدانسی آنتن می شود. در این آنتن، عرض صفحه زمین با عرض پچ تشعشعی برابر است که باعث ایجاد یک نوع هماهنگی بین مودهای جریان عمودی و افقی بر روی این دو ناحیه می شود [۲۷].
شکل ۲- ۱۶: آنتن تکقطبی چاپی با تغذیه سه شاخهای [۲۷].
نمودارهای ارائه شده در اشکال ۲-۱۷ و ۲-۱۸ نتایج اندازه گیری آنتن ارائه شده ساختار را نشان می دهند. شکل ۲-۱۷ نمودار VSWR آنتن مورد نظر را در شکل ۲-۱۶ نشان میدهد که دارای پهنای باند بسیار وسیعی در حدود ۴۵/۱۳ گیگا هرتز میباشد. این افزایش پهنای باند نشان دهنده اثر مثبت انتخاب این نوع ساختار و تغذیه میباشد. از طرف دیگر از نمودارهای شکل ۲-۱۸ معین می شود که این نوع ساختار مشخصات تشعشعی مناسبی را حتی تا فرکانس ۱۵ گیگا هرتز ارائه می کند.
شکل ۲-۱۷: نتایج اندازه گیری و آنالیز رایانهای پارامتر VSWR برای آنتن تکقطبی ارائه شده در [۲۷].
۴۹
شکل ۲- ۱۸: پترنهای تشعشعی اندازه گیری شده در H-plane برای آنتن تک قطبی ارائه شده در [۲۷]، برای فرکانسهای : الف) ۳ گیگا هرتز، ب) ۷ گیگا هرتز، ج) ۱۱ گیگا هرتز و د) ۱۵ گیگا هرتز.
از پترنهای اندازه گیری شده میبینیم که پترن صفحه H این آنتن برخلاف اکثریت ساختارهای دیگر حتی در فرکانس ۱۵گیگاهرتز نیز ویژگی همه جهته بودن خود را حفظ می کند. این در حالیست که در ساختارهای دیگر، با توجه به ابعاد آنتن، تقریباً بعد از فرکانس ۹ الی ۱۰ گیگا هرتز، پترن تشعشعی صفحه H آنتن نه تنها در راستای عمود بر آنتن جهت دارتر شده و ویژگی همه جهته بودن خود را از دست میدهد بلکه همچنین دارای بیمهای فرعی زیادی نیز می شود. همچنین مشاهده میکنیم که مقدار پلاریزاسیون متقاطع در هر فرکانسی پایین بوده و قابل قبول است. پس در حالت کلی میتوان نتیجه گرفت که استفاده از تغذیههای چند شاخهای با طراحی دقیق، برای هر نوع آنتن تکقطبی چاپی موجب بهبود مشخصات امپدانسی و تشعشعی آن خواهد شد.
۲-۳ نتیجه گیری
در این فصل بصورت خلاصه آنتنهای تک قطبی وآنتنهای اسلات مورد بررسی قرار گرفت. آنتنهای اسلات توانایی بالایی از نظر فشرده سازی و پهن باندی دارند. همچنین به روشهای مختلف تغذیهی این آنتنها و شیوه هایی که میتوان برای افزایش پهنای باند از آنها استفاده کرد، مرور شد. اما ایده ای که ما از آن برای طراحی آنتن در این پروژه استفاده کردهایم استفاده از دو اسلات با اندازه های یکسان بر روی یک صفحه زمین میباشد به طوریکه آنتن بتواند بصورت مالتی رزوناتور عمل کرده و خصوصیات پهن باندی از خود نشان دهد که در فصل بعدی کاملا با این آشنا خواهید شد.
۵۰
همچنین در این فصل آنتنهای تکقطبی چاپی، معرفی، طراحی و بررسی شدند. روند تبدیل آنتن میکرواستریپی ساده با صفحه زمین کامل به یک آنتن تکقطبی چاپی با صفحه زمین ناقص نیز ارائه شد. دیدیم که با بهره گرفتن از این تغییر، ضریب کیفیت سیستم بسیار پایین آمده و پهنای باند بسیار بالایی بدست آید. علاوه بر این، روشهای مختلف افزایش پهنای باند و بهبود تطبیق امپدانسی نیز مورد مطالعه قرار گرفت. مشاهده کردیم که با انجام تغییرات مختلفی در ساختار و شکل صفحه زمین و پچ تشعشعی میتوان پهنای باند را بطور دلخواه افزایش داد. در آخر این بخش مشخصات تشعشعی این نوع آنتنها مورد بحث قرار گرفت. در این مطالعه نتیجه گرفتیم که با بهره گرفتن از تغذیههای چند شاخه ای و یا حتی انتخاب مناسب ابعاد پچ تشعشعی در مقابل اندازه صفحه زمین، میتوان پترنهای تشعشعی بسیار مطلوبی بدست آورد.
۵۱
فصل سوم
انواع آنتنهای ترکیبی تکقطبی- شکافدار
(Monople-Slot Antennas)
۳-۱ مقدمه
با توجه به گرایشهای مدرن در سیستمهای مخابرات بیسیم امروز، نیاز به آنتنهایی با پهنای باند بالا، قابلیت پیکرسازی جدید[۳۹] و یا حتی تغییر در محدوده فرکانسی که در آن تشعشع می کند، بیش از پیش احساس میگردد. در سالهای اخیر مطالعه بر روی آنتنهایی با این مشخصات و قابلیت های مذکور بسیار زیاد شده است. البته اکثریت کارهای تحقیقاتی بر روی نوع ترکیب دو نوع آنتن پهن باند، آنتن تک قطبی و آنتن شکافدار انجام گرفته است تا در نهایت بتوان بهترین ساختار ترکیبی آنتن تک قطبی- شکافدار[۴۰] را با بهره گرفتن از این دو نوع رزونانس کننده بدست آورد. در آنتنهای شکاف دار میتوان همانند ]۲۸[، از شکاف به صورت یک ساختار تشدیگر نیم طول موج استفاده نمود. اما با توجه به بزرگ بودن طول شکاف برای فرکانسهای پایین، آنتن حجم زیادی را اشغال خواهد کرد. اخیرا نشان داده شده است که با قراردادن شکاف در لبهی صفحه زمین، یک آنتن تک قطبی شکافدار حاصل می شود که به صورت یک ساختار تشدیدگر ربع طول موج عمل می کند. بدین ترتیب در یک فرکانس رزونانس ابعاد انتن کوچکتر خواهد بود. در این ساختارها بیشترین مطالعه بر روی ساختار، ابعاد و موقعیت شکاف تشعشعی و موقعیت خط تغذیه میکرواستریپی نسبت به شکاف تشعشعی صورت گرفته است. در این فصل به چندین نوع از این آنتنهای ترکیبی خواهیم پرداخت. ساختارهای مختلف هرکدام را مطالعه کرده، نتایج عملی آنها را همراه با ویژگیها و معایب هرکدام ارائه میکنیم.
هدف از این فصل از پایان نامه، ارائه ساختارهای ممکن ترکیبی با این دو آنتن و نشان دادن روند تکمیلی و پیشرفت آنها میباشد. ساختارهای معرفی شده در این فصل محدوده سالهای ۲۰۰۵ تا ۲۰۱۰ را پوشش میدهد. در نهایت پس از مطالعه کامل آنتن پیشنهاد شده در فصل ۴، نتایج آن با نتایج ساختارهای ارائه شده در این فصل مقایسه میگردد تا نقاط برتری و ضعف ساختار ارائه شده مشخص گردد.
۵۲
۳-۲ آنتن نوع اول [۲۹]
ساختار اول توسط دکتر لطف الله شفائی[۴۱] در سال ۲۰۰۵ میلادی ارائه کرده و مورد مطالعه دقیق قرار داده است. البته بهتر است که بگوییم چندین ساختار مختلف را در قالب یک فرم از آنتن های ترکیبی تک قطبی- شکافدار ارائه کرده اند. این آنتنهای معرفی شده با توجه به نوع عملکردشان و بخصوص ابعاد آنها (۵۰ میلی متر در ۸۰ میلیمتر) بیشتر برای استفاده در کارتهای بیسیم روی برد کامپیوتر[۴۲] کاربرد دارند. در این تحقیق، اشکال مختلفی برای شکاف تشعشعی از جمله: راست شکل مستطیلی، L شکل و Tشکل و همچنین ترکیبی از آنها در نظر گرفته شده است که به ترتیب به هرکدام از آنها خواهیم رسید.
شکل ۳-۱: آنتن تک قطبی- شکافدار با شکاف مستطیلی روی برد FR4: (الف) ساختار آنتن و (ب) نمودار تلفات برگشتی آن [۲۹].
۳-۲-۱ ساختار اول: شکاف مستطیلی
ساختار اول در شکل ۳-۱-الف نشان داده شده است. زیرلایه استفاده شده از نوع FR4 با ضخامت ۸/۰ میلیمتر و با همان ابعاد ۵۰ در ۸۰ میلیمتر مربع میباشد. همانطور که مشخص است تغذیه با بهره گرفتن از کابل کواکسیال است که به ابتدای خط میکرواستریپ به عنوان رزونانس کننده تک قطبی بر روی شکاف تشعشعی، متصل شده است. بهترین پاسخ آن در بخش ۳-۱-ب نشان داده شده است.
۵۳