توضیحات

پروژه شبیه سازی آنتن مایکرواستریپ پچ مستطیلی GHz 2.4 با تغذیه feed در نرم افزار CST

 

Simulation of 2.4 GHz Rectangular  Patch Microstrip Antenna in CST Software

 

آنتن:

از آغاز تمدن بشری، مخابرات اهمیت اساسی را برای جوامع بشری داشته است. در مراحل ابتدایی، مخابرات توسط امواج صوتی از طریق صدا صورت می گرفت. سپس در مسافت طولانی تر از ابزارهای مخابراتی نوری که از قسمت مرئی طیف الکترومغناطیسی است، استفاده شده است. آنتن رادیویی ابزاری است که امکان تشعشع یا دریافت امواج رادیویی را فراهم می سازد. یکی از بزرگترین منابع انسان، طيف الكترومغناطیسی است. آنتن ها در استفاده از این منبع طبیعی نقش اساسی ایفا می کنند. از زمان هرتز و مارکنی به بعد، آنتن اهمیت روزافزونی در زندگی ما پیدا کرده است و امروز دیگر از زندگی ما قابل حذف نیست. مبانی نظری آنتن ها، بر معادلات ماکسول استوار است. نظریه جیمز کلارک ماکسول در سال ۱۸۶۴، مبنی بر این بود که نور و امواج الکترومغناطیسی پدیده های فیزیکی یکسانی هستند. همچنین پیش بینی کرد که نور و اختلالات الكترومغناطیسی را می توان به صورت امواج رونده دارای سرعت برابر توجیه کرد. فیزیکدان آلمانی هاینریش هرتز (۱۸۵۷-۱۸۹۷) در سال ۱۸۸۶ توانست صدق ادعا و پیش بینی ماکسول را مبنی بر اینکه کنشها و پدیده های الکترومغناطیسی می توانند در فضا منتشر شوند، نشان دهد. هرتز آنتنهای دوقطبی و حلقوی و نیز آنتن های انعکاسی سهموی استوانه ای نسبتا پیچیده ای را دارای دوقطبی هایی در امتداد خط کانونی شان به عنوان تغذیه ساخته مارکنی مهندس برق ایتالیایی در ۱۹۰۱ به اهمیت مرتفع کردن آنتنها در فرکانس های پایین در حدود ۶۰کیلوهرتز درک کرد. فیزیکدان روسی الکساندر پویوف به اهمیت کشف هرتز و کارهای مارکونی واقف بود. اغلب افتخار کاربرد اولین آنتن در اولین سیستم رادیویی را در سال 1897 برای ارسال یک سیگنال از کشتی به ساحل در مسافت سه میل به او می دهند. توسعه آنتنها در ابتدا به علت عدم وجود و در دسترس نبودن مولدهای سیگنال محدود بود. در حدود سال های ۱۹۲۰ پس از آنکه لامپ تریود دوفارست برای ایجاد سیگنال های امواج پیوسته تا یک مگاهرتز بکار رفت، ساخت آنتن های تشدیدی مانند دوقطبی نیم موج امکان یافت قبل از جنگ دوم جهانی مولدهای سیگنال مگنیترون و کلایسترون میکروویو همراه با موجبرهای توخالی اختراع و توسعه یافتند. این تحولات منجر به ابداع و ساخت آنتن های برقی شد. در سال ۱۹۳۴ اولین سیستم رادیو تلفنی میکروویو تجارتی بین انگلستان و فرانسه در فرکانس کار 1.8 گیگا هرتز برقرار شد. در خلال جنگ دوم جهانی یک فعالیت وسیع طراحی و توسعه برای ساخت سیستم های رادار منجر به ابداع انواع مختلف آنتن های مدرن مانند آنتن های بشقابی، عدسیها و آرایه های شکافی موجبر شد. در طی ۶۰ سال گذشته، فناوری آنتن، سهم غیرقابل انکاری در انقلاب ارتباطات داشته است. بسیاری از پیشرفتهای مهم که در طی این مدت اتفاق افتاده است در حال حاضر استفاده عمومی دارند.

کاربرد آنتن ها:

یک آنتن موج هدایت شده روی یک خط انتقال را به یک موج فضای آزاد در حالت ارسال و برعکس در حالت دریافت تبدیل می کند. آنتن ها هم فرستنده و هم گیرنده می باشند. در حالتی انرژی حاصل از یک منبع، که بصورت الکتریکی یا الکترومغناطیسی است را گرفته و در فضا بصورت امواج الکترومغناطیسی پخش می کند، نقش فرستندگی را ایفا می کند. در حالتی که انرژی الکترومغناطیسی را از اطراف دریافت کرده و به گیرنده می رساند، نقش گیرندگی را ایفا می کند. آنتن همه جا هست: در خانه و محل کار، روی خودروها و هواپیماها، کشتی ها، ماهواره ها و فضاپیماها پر از آنتن است. حتی هنگامی که پیاده راه می رویم، آنتنی (در گوشی همراه خود) به همراه خود داریم. کاربرد آنتن ها متنوع است. بطور کلی تعدادی از موارد استفاده آنتن ها بدین صورت می باشد:

الف) در مخابرات رادیو سیار شامل هواپیماها، فضاپیماها، کشتیها یا خودروهای زمینی بکار برد .

ب) کاربرد آنتنها در سیستم های رادیویی سخن پراکندگی مانند رادیوی خودروی متحرک سیار و کاربردهای غیر سخن پراکنی مانند سیستمهای رادیو سیار (مانند پلیس، آتش نشانی، امداد، …)

ج ) استفاده از تکنولوژی رادیویی بجای استفاده از خطوط انتقال.

انواع آنتن:

هر چند آنتن تنوعی تقریبا نامحدود و اعجاب آور دارد، ولی تمام آنتنها بر مبنای اصول الکترومغناطیسی یکسانی کار می کنند. یک آنتن می تواند بر اساس نیازهای متفاوت، اشکال مختلفی داشته باشد. یک آنتن ممکن است یک تکه سیم رسانا، یک روزنه، یک پچ، مجموعه ای از عناصر، یک بازتابنده، یک لنز و غیره باشد. در این قسمت به معرفی و توضیح مختصری از برخی انواع آنتنها می پردازیم: آنتن هرتز: آنتن هرتز در فاصله ای بالا واقع شده و ممکن است بطور افقی یا عمودی باشد و برای فرکانس های زیاد بکار می رود.

آنتن مارکنی: در این نوع آنتن، آنتن های پایین مولد به زمین متصل است و سطح زمین بجای صفحه هادی بکار می رود .طرز توزیع جریان و ولتاژ برای فرکانس اصلی، چهل برابر طول آنتن می باشد و این آنتن برای فرکانس های کم مورد استفاده قرار می گیرد. آنتن مارکنی در بعضی موارد ممکن است برای فرکانسهای بالا بکار رود، مثل آنتن های ارتباطی هواپیما که در این حالت بدنه هواپیما بجای زمین عمل می کند.

آنتن سیمی: اشخاص عامی نیز با آنتن های سیمی آشنا هستند، چون این آنتنها هر جا دیده می شوند، روی اتومبیل ها، کشتیها، هواپیماها و غیره. این آنتن اشکال متنوعی از قبیل سیم راست، مارپیچی استوانه ای و حلقه سیمی دارد. آنتن های حلقوی لزوما دایروی نیستند، بلکه ممکن است به شکل مستطیل، مربع، بیضی و یا هر شکل دیگر باشد.

آنتن لوزی (روبیک): این آنتن از چهار سیم ساخته شده است که به شکل لوزی متصل شده اند و موازی زمین قرار گرفته اند. با قرار دادن چرخها روی دکل های نگهدارنده، می توان ارتفاع آنتن را نسبت به زمین تغییر داد. منبع تغذیه در حالت فرستنده توسط خط انتقال متعادلی از یک سو به آنتن وصل می شود و مقاومت سوی دیگر را به گونه ای تنظیم می کنند که تنها موج رونده روی آنتن بوجود آید. خط انتقال متعادل، خط انتقالی است که امپدانس در بازوی آن نسبت به زمین برابر باشد. در فضای آزاد حداکثر پرتو افکنی آنتن در امتداد قطر بزرگ لوزی صورت می گیرد و پلاریزسیون آن افقی است. این آنتن به علت سادگی طرح در فرستنده ها و گیرنده ها کاربرد زیادی داشته و به منظور ایجاد ارتباط در مسافت های زیاد و کار فرکانس های بالا به حد زیادی مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین این آنتن در ارتباطات منطقه بکار می رود. زیرا در باند وسیعی به کار رفته و نصب و نگهداری آن ساده تر از آنتن های دیگر می باشد عیب اصلی آن این است که احتیاج به یک زمین وسیع دارد.

آنتن های روزنه ای : امروزه آنتن های روزنه ای به خاطر افزایش نیاز به اشکال پیچیده تر آنتنها و بهره گیری از فرکانس های بالاتر، بیش از گذشته دیده می شوند. انواع این آنتن عبارتند از: شیپوری، مخروطی و موجبر مستطیلی. این نوع آنتن ها برای استفاده در هواپیما و سفینه فضایی بسیار مفید هستند، چون به راحتی به حالت همتراز روی پوسته هواپیما یا سفینه نصب می گردد.

 آنتن یاگی: شکل این آنتن ها مثل آنتن های تلویزیون معمولی است.

آنتن های آرایه ای: برای تولید یک پرتو جهت دار می توان چندین آنتن را در یک ردیف قرارداد و آنها را تغذیه نمود. چنین ترکیبی را آنتن های آرایه ای می گویند. چندین آنتن کوچک را می توان در یک آرایه بکار برد و پرتو یک آنتن بزرگ را بدست آورد. گرچه مشکل بزرگی و حجم آنتن از بین می رود، ولی مساله تغذیه آنتن های کوچک مطرح می گردد. برای رفع این مشکل، فن آوری نیمه هادیها تا حدودی کارایی دارد. از مزیت های عمده این آنتن ساخت ارزان آن بوده و همچنین اسکن یا مرور کردن یک شعاع اصلی بصورت الکترونیکی میسر می شود. این کار به این صورت انجام می شود که با تغییر فاز جریان های تغذیه در هر عنصر آرایه، می توان پرتو تشعشعی را در فضا چرخاند. این نوع آنتن را آرایه فازی می گوئیم. از جمله کاربردهای آرایه فازی در رادار می باشد. آرایه ها ترکیبات مختلف هندسی دارند. ابتدایی ترین آنها آرایه خطی است که در آن مراکز عناصر آرایه بر روی یک خط راست قرار دارد؛ این عناصر ممکن است به فواصل مساوی یا غیر مساوی قرار گرفته باشد. اگر مراکز عناصر آرایه در یک صفحه قرار گرفته باشند آنها را آرایه صفحه ای می گویند. آنتن آرمانی، آنتنی است که همه توانی را که از منبع تغذیه به آن می رسد، در جهات مورد نظر با پلاریزاسیون دلخواه در فضا پخش کند. آنتن های عملی بصورت آرمانی عمل نمی کنند.

آنتن های مایکرواستریپ: در دهه ۱۹۷۰ آنتن های مایکرواستریپ اساسا برای کاربردهای فضایی متداول شدند. امروزه این آنتنها در کاربردهای تجاری استفاده می شوند. این آنتن از قرار گرفتن یک پچ فلزی بر روی زیرلایه ای که بر روی صفحه زمین واقع شده است، ساخته می شود.

آنتن های مایکرواستریپ(microstrip antenna):

در هواپیماهای پیشرفته، فضاپیماها، کاربردهای موشکی و ماهواره ها، جاییکه محدودیت هایی نظیر اندازه، ابعاد، وزن، هزینه، کارایی، سهولت نصب و فرم آئرودینامیکی وجود دارد. اغلب آنتن هایی با فرم سبک و مسطح مورد نیاز است. در حال حاضر کاربردهای دولتی و تجاری بیشمار دیگری نیز نظیر رادیو سیار، موبایل و مخابرات بی سیم وجود دارد که همگی خصوصیات مشابهی را در مورد آنتن طلب می کنند. برای پاسخگویی به این نیازها آنتن های مایکرواستریپ می تواند مورد استفاده قرار گیرد. این نوع از آنتن ها دارای فرم سبک، شکل پذیر بصورت سطوح صفحه ای و غیر صفحه ای، ساده و ارزان قیمت هستند که برای چاپ از تکنولوژی چاپ برد بهره می گیرند و پس از نصب روی سطوح سفت و محکم استحکام مکانیکی خوبی دارند. از دیگر ویژگی های آنتن های مایکرواستریپ، تطابق آنها با طراحیهای مدارهای مجتمع مایکروویو است. در آنتن های مایکرواستریپ، هنگامیکه شکل خاص پچ و مد فعالیت در آنتن مورد نظر انتخاب شود، از نظر فرکانس رزونانس، قطبیدگی، پترن و امپدانس دارای تنوع می باشد. بعلاوه با اضافه کردن بار مابین پچ و صفحه زمین، نظیر پین یا دیود واراكتور، المانهایی تطبیق پذیر با فرکانس رزونانس قطبیدگییون، امپدانس و پترن متغیر می توان طراحی کرد. عمده معایب آنتن های مایکرواستریپ راندمان پایین، توان کم، خلوص قطبیدگی ضعیف، قابلیت اسکن ضعیف، تشعشعات ناخواسته و غیر مطلوب مربوط به قسمت تغذیه آنتن و پهنای باند کم آنهاست. در برخی از کاربردها نظیر سیستمهای امنیت دولتی پهنای باند کم مطلوب است. بهرحال روشهایی نیز، نظیر افزایش ارتفاع زیر لایه جهت افزایش راندمان آنتن تا حدود  %۹۰ و افزایش پهنای باند تا حدود 35% وجود دارد. با افزایش ارتفاع زیرلایه امواج سطحی مطرح می شود که اغلب و معمولا نامطلوب می باشد چرا که از شدت امواج فضایی آماده برای تشعشع مستقیم می کاهد. امواج سطحی در طول زیر لایه منتشر شده و در ناپیوستگیها و خمیدگی ها این امواج دچار پراکندگی میشود و مشخصات پترن و قطبیدگی یون آنتن را دچار تنزل می نماید. امواج سطحی را ضمن حفظ پهنای باند می توان با استفاده از محفظه ها خاتمه داد. انباشته سازی المان های مایکرواستریپ نظیر سایر روش ها می تواند جهت افزایش پهنای باند بکار گرفته شود. علاوه بر این، آنتن های مایکرواستریپ از نظر فیزیکی برای بکارگیری در باند VHF و UHF بزرگ هستند و در آرایه های بزرگ تعاملی مابین پهنای باند و حجم اسکن موجود است.

شکل آنتن مایکرواستریپ و سیستم مختصات

 

تاریخچه آنتن های مایکرواستریپ:

آنتن های مایکرواستریپ از اوایل دهه ۱۹۷۰ بسیار مورد توجه قرارگرفت، اگرچه ایده این نوع آنتن ها به سال ۱۹۵۳ باز می گردد و اولین نمونه در سال ۱۹۵۵ ثبت شده است. آنتن های مایکرواستریپ، از یک نوار فلزی بسیار نازک که در ارتفاع کسر کوچکی از طول موج در بالای صفحه زمین واقع شده است. آنتن مایکرواستریپ به گونه ای طراحی شده است که حداکثر تشعشع آن در راستای عمود بر صفحه آنتن می باشد و به اصطلاح پترن آن برودساید است. این امر با انتخاب صحیح مد عملکرد آنتن، که بیانگر آرایش میدان در زیر پچ است، صورت می گیرد. پچ و صفحه زمین بوسیله یک لایه دی الکتریک تحت عنوان زیرلایه از هم جدا شده است. برای طراحی آنتن های مایکرواستریپ انواع مختلفی از زیرلایه وجود دارد که ضریب گذردهی آنها معمولا در رنج ۱۲ -۲/۲ متغیر است. اما معمولا زیرلایه های با ضخامت بیشتر و با ضريب گذردهی پایین تر جهت کاربردهای آنتنی مطلوب تر هستند چرا که موجب افزایش راندمان آنتن، پهنای باند بیشتر، تقید کمتر میدان ها و تشعشع بیشتر آن می شود اما در مقابل موجب افزایش ابعاد آنتن می گردد. زیرلایه های نازکتر با ضریب گذردهی بالاتر برای مدارات مایکروويو مطلوب است زیرا در اینگونه مدارها نیازمند میدان های مقید بمنظور جلوگیری از تشعشعات ناخواسته و تزویج مابین اجزای مدار هستیم و استفاده از اینگونه زیرلایه ها منجر به کاهش ابعاد المان ها می شود اما بهر حال به دلیل تلفات بیشتر آنها کارایی کمتری داشته و نسبتا پهنای باند کمتری دارند .

از آنجاییکه آنتن های مایکرواستریپ اغلب بطور مجتمع در کنار سایر مدارات مایکروویو قرار دارند باید سازشی مابین کارایی خوب آنتن و طراحی مدار صورت پذیرد. آنتن های مایکرواستریپ اغلب بعنوان آنتن های پچ شناخته می شوند. المان های تشعشع کننده و خطوط تغذیه بر روی زیرلایه دی الکتریک چاپ می شود. پچ تشعشع کننده می تواند به شکل مربع، مستطیل، نوار نازک (دوقطبی)، دایره، بیضی، مثلث و یا هر شکل دیگری باشد.

شکل اشکال مختلف آنتن پچ مایکرواستریپ.

مربع، مستطیل، نوار (دوقطبی) و دایره رایجترین اشکال هستند چرا که تحلیل و ساخت آنها راحتتر بوده و خصوصیات تابشی آنها نظیر سطح پایین قطبیدگی نامطلوب مورد توجه است. دوقطبی های مایکرواستریپ به دلیل پهنای باند ذاتا وسیعشان و حجم اشغالی کم آنها جهت بکارگیری در آرایه ها مورد توجه می باشند. قطبیدگی خطی و دایروی بوسیله المان واحد یا آرایه ای از المان های پچ قابل دستیابی است. آرایه ای از المان های مایکرواستریپ به همراه تغذیه واحد یا چندگانه جهت ارایه توانایی اسکن یا سمتگرایی بالا می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

روش های تغذیه آنتن مایکرواستریپ:

پیکربندی و روشهای متعددی وجود دارد که برای تغذیه آنتن های پچ می توان از آنها استفاده کرد اما چهار روشی که متداولتر می باشد عبارتست از خط مایکرواستریپ، کابل کواکسیال، تزویج صفحه ای و تزویج مجاورتی. خط تغذیه مایکرواستریپ یک نوار هادی است که بسادگی قابلیت ساخت داشته و براحتی قابل تطبیق با مدار بوده و مدل کردن آن نیز نسبتا راحت می باشد. با افزایش ارتفاع زیرلایه امواج سطحی زیاد شده و تشعشعات ناخواسته مربوط به قسمت تغذیه مدار نیز زیاد می شود که در موارد عملی پهنای باند مدار را محدود می نماید. در تغذیه با کابل کواکسیال (پروب) هادی داخلی کابل به پچ تشعشع کننده و هادی بیرونی به صفحه زمین متصل می شود. این نوع از تغذیه نیز بطور گسترده مورد استفاده قرار گرفته براحتی قابل ساخت و تطبیق است و تشعشع ناخواسته کمی دارد.

پهنای باند حاصل از بکارگیری این روش تغذیه کم بوده و مدل کردن آن نیز جهت تحلیل دشوارتر است بخصوص به ازای زیرلایه های ضخیم. هر دو روش تغذیه اشاره شده تا به اینجا بطور ذاتی تقارن مدار را بر هم زده و مدهای مرتبه بالاتر را تحریک می نماید که موجب تشعشع با قطبیدگی غیر موافق می گردد. برای غلبه بر برخی از این مشکلات روش تغذیه غیر تماسی تزویج صفحه ای، معرفی شده است. روش تزویج صفحه ای سخت ترین روش از بین چهار روش ارایه شده از نظر ساخت بوده و پهنای باند کمی دارد. از طرف دیگر مدل کردن آن آسانتر بوده و تشعشعات غیرمطلوب آن نیز متعادل است. تغذیه به روش تزويج صفحه ای متشکل است از دو زیرلایه که بوسیله صفحه زمین از هم جدا شده است. در سمت زیرین زیرلایه پایینی یک خط تغذیه مایکرواستریپ وجود دارد که انرژی آن از طریق یک شیار موجود در صفحه زمین به پچ تزویج می شود. این آرایش امکان بهینه سازی مستقل المان تشعشعی و مکانیسم تغذیه را بطور مجزا فراهم می سازد. 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 كم انتخاب می شود. صفحه زمین مابین زیرلایه ها، خط تغذیه را از پچ جدا کرده و تداخل تشعشعات غیرمطلوب را به حداقل می رسند. در این روش پارامترهای الکتریکی زیرلایه، عرض خط تغذیه و اندازه و محل شیار می تواند جهت بهینه کردن طراحی تنظیم شود. تطبيق نیز بوسیله تنظيم عرض خط تغذیه و طول شیار صورت می گیرد.

شکل چهار روش تغذيه آنتن میکرواستریپ (a) میکرواستریپ، (b) کواکسیال، (c) تزویج مجاورتی، (d) تزویج روزنه ای.

 

آنتن های مایکرواستریپ به دلیل ویژگی هایی نظیر ضخامت کم، سبک بودن، سادگی ساخت و هزینه پایین مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. همچنین این آنتن ها قابلیت عملکرد در ۲ باند فرکانسی به روی یک پچ تشعشعی را دارند که این ویژگی، امکان طراحی آنتن های دوباندی فشرده را فراهم می سازد. یک آنتن مایکرواستریپ شامل یک پچ تشعشعی در یک طرف یک زیرلایه عایق می باشد که در سوی دیگر این زیر لایه یک صفحه زمین قرار داده شده است. پچ تشعشعی عموما از فلز رسانا نظیر مس یا طلا ساخته شده و برای آن شکل ساده و مناسبی انتخاب می شود.

مزایا و معایب آنتن های مایکرواستریپ:

آنتن های مایکرواستریپ به جهت ضخامت کم و مسطح بودن، دارای کاربرد زیادی در مخابرات بی سیم هستند. این آنتن ها سازگاری بسیار زیادی برای استفاده در دستگاههای بی سیم قابل حمل نظیر تلفن همراه، هشداردهنده ها و غیره را دارند. آنتن های مخابراتی و دورسنجی در وسایل پرتابی نظیر موشک ها باید نازک و قابل تطبیق باشند و اغلب از نوع مایکرواستریپ هستند. همچنین این آنتنها کاربرد زیادی در مخابرات ماهوارهای دارند.

مزایای عمده آنتن های مایکرواستریپ شامل موارد زیر است:

1-وزن و حجم کم.

2-ساختار مسطح با ضخامت کم و سازگار با سطوح مختلف.

3-هزینه ساخت کم و قابل ساخت در تعداد بالا در یک خط تولید.

4-ایجاد ساختار با دو قطبش خطی و دایروی.

5-اتصال آسان با مدارهای مجتمع مایکرویو.

6-قابلیت عملکرد در دو یا چند باند فرکانسی.

7-پایداری مکانیکی بالا در هنگام قرار گرفتن روی سطوح محکم.

آنتن های مایکرواستریپ در مقایسه با دیگر آنتنها دارای معایبی نیز هستند که شامل موارد زیر است:

1- پهنای باند کم

2-راندمان کم

3-گین پایین

4-تشعشع ناخواسته از تغذیه و اتصالات

5-تحریک امواج سطحی.

آنتن مایکرواستریپ را می توان به روشهای مختلف تغذیه کرد. این روش ها را می توان در دو دسته کلی تماسی و غیرتماسی قرار داد. در روش های تماسی توان فرکانس رادیویی به طور مستقیم از طریق اتصال عناصری نظیر خط مایکرواستریپ به پچ اعمال می شود. در شیوه غیرتماسی جهت انتقال توان میان خط مایکرواستریپ و پچ تشعشعی تزویج میدان الکترومغناطیسی برقرار می شود. چهار روش معمول تغذیه پچ شامل خط مایکرواستریپ، خط هم محور، تزویج از طریق روزنه و تزویج از طریق مجاورت می باشند که دو روش اول از نوع تماسی و دو روش بعدی از نوع غیرتماسی می باشند.

نظریه تئوری آنتن مایکرواستریپ:

نظریه تئوری آنتن مایکرواستریپ ابتدا در سال ۱۹۵۰ ارائه شد. اولین آنتن عملی در سال ۱۹۷۰ که دارای یک مدل خوب از طلا و مس و ثابت دی الکتریک با محدوده وسیع و جذب دمای کم و تانژانت تلفات کم بود ساخته شد. از سال ۱۹۷۰ کمیته های بین المللی آنتن، تلاش های بیشتری را برای تحقیق آزمایشگاهی و تئوریکی برای آنتن های پچ میکرو استریپ اختصاص دادند. آنتن های پچ میکرو استریپ یکی از رایج ترین و پرکاربردترین آنتن های مسطح هستند. پیشرفت و تحقیقات زیاد در مورد آنتن میکرواستریپ به علت وزن سبک و حجم کم و هزینه پایین این آنتن صورت گرفت. در ساده ترین حالت ممکن، یک آنتن میکرو استریپ از قرار دادن یک پچ فلزی مستطیلی روی زیرلایه دی الکتریک تحقق می یابد. این آنتن به آسانی روی موشک ها و ماهواره های بدون نیاز به تغییرات اساسی به کار برده می شود. از مهمترین کاربرد های آن در مخابرات ماهواره ای، مخابرات موبایل، رادار های سبک می باشد. در عملکردهای فضاپیما و هواپیما، ماهواره و کاربردهای موشکی، جایی که اندازه و وزن و آسانی نصب محدودیت ایجاد می کند، آنتن های میکرو استریپ بهترین گزینه انتخابی می باشند. آنتن های میکرواستریپ اغلب به طور مجتمع با دیگر مدارهای مایکروویو ساخته می شوند. اغلب آنتن های میکرواستریپ ساختار ساده و استفاده فراوانی دارند. جنس پچ میکرواستریپ که قطهای هادی می باشد و روی لایه ای از دی الکتریک انتخابی با شرایط کاری و مورد نیاز برای آنتن با ارتفاع h قرار می گیرد، طلا یا مس که دارای هدایت الکتریکی بسیار بالاست می باشد، قسمت زیرین زیر لایه صفحه زمین قرار دارد که باعث میشود تشعشع به سمت بالا اتفاق بیفتد، پچ تشعشع کننده می تواند به هر شکلی باشد.

شکل نمای کلی آنتن پچ میکرواستریپ.

شکل انواع پچ های رایج در آنتن میکرواستریپ.

 

 

مزایا و معایب وکاربرد آنتن های پچ میکرواستریپ:

مزایا :

ضخامت و حجم کم

سبکی و ارزانی

قابلیت مجتمع سازی با سایر مدارات

کاربردهای آرایه ای.

معایب:

بازده تابشی کم

توان تشعشعی کم

خواص ضعیف قطبیدگی

تابش های تغذیه ای ناخواسته

پهنای باند کم.

کاربردها:

از مهم ترین کاربردهای این آنتن در مخابرات ماهواره ای، مخابرات موبایل، رادارهای سبک می باشد. در عملکردهای فضاپیما و هواپیما، ماهواره و کاربردهای موشکی، جایی که اندازه و وزن و آسانی نصب محدودیت ایجاد می کند، آنتن های میکرواستریپ بهترین گزینه انتخابی می باشند.

بطور کلی چهار روش معمول تغذیه عبارتند از

۱. خط میکرواستریپ در صفحه(Microstrip line)

٢. کابل هم محور(Coaxial probe)

3. تزویج روزنه ای(Aperture coupling)

۴. تزویج مجاورتی(Proximity coupling)

 

شکل انواع روش های تغذیه در آنتن میکرواستریپ (الف) خط میکرواستریپ در صفحه. (ب) کابل هم محور. (ج) تغذیه ی روزنه ای (د) تغذیه مجاورتی.

 

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی آنتن مایکرواستریپ پچ مستطیلی GHz 2.4 با تغذیه feed در نرم افزار CST انجام شده است.

نرم افزار CST:

نرم افزار CST ، بسته نرم افزار تجاری برای شبیه سازی میدان های الکتریکی و مغناطیسی، مدارها، آنتن ها، تحلیل های مکانیکی و حرارتی است. این نرم افزار بر پایه ویندوز است که در آن کنترل المان ها بسیار راحت انجام می شود و با ایجاد مدل سه بعدی، حالتی بصری برای کاربر ایجاد می کند که در نتیجه کاربر برای شروع کار، به سرعت با آن ارتباط برقرار می کند، حتی اگر برای اولین بار باشد که از آن استفاده می‌کند. دلیل استفاده از این نرم افزار، نمایش سه بعدی نتایج و همچنین صحت و دقت بالای آن در شبیه سازی است. روش شبیه سازی در این نرم افزار بر پایه ی روش انگرال گیری محدود (FIT) می باشد، که توسط ويلاند در سال 1977 ارائه شد. در این روش شمای گسسته فضایی، که قابل اجرا برای مسائل متنوع الكترومغناطیسی باشد، امکان محاسبات میدان های استاتیک تا کاربردهای فرکانس بالا در حوزه زمان با فرکانس را، تامین می کند. برخلاف اغلب روش های عددی که فرم دیفرانسیلی معادلات ماکسول را حل می کند، روش FIT معادلات ماکسول به فرم انتگرالی را جزء بندی و حل می کند. برای حل این معادلات به صورت عددی، باید حوزه های محدود محاسباتی مشخص شود که به این عمل مش بندی می گویند. با اعمال مش بندی مناسب، نرم افزار این حوزه ها را به تعداد زیادی اجزای کوچک یا سلول تبدیل می کند و معادلات ماکسول را حل می کند.

 

هندسه مسئله:

نتایج شبیه سازی آنتن مایکرواستریپ پچ مستطیلی در نرم افزار CST:

نمودار S1,1 آنتن مایکرواستریپ پچ:

 

الگوی تشعشعی سه بعدی آنتن مایکرواستریپ پچ مستطیلی(فرکانس2.4  GHz)

 

الگوی تشعشعی سه بعدی آنتن مایکرواستریپ پچ مستطیلی(فرکانس2.8  GHz)

 

الگوی تشعشعی سه بعدی آنتن مایکرواستریپ پچ مستطیلی(فرکانس2  GHz)

 

نمودار نسبت موج ایستاده ولتاژ(VSWR) آنتن مایکرواستریپ پچ مستطیلی:

 

راندمان تشعشعی (dB)

 

راندمان کل(dB):

 

 

نمودار توان: