عنصر آنتن برای عملکرد در محدوده فرکانسی بین 12 گیگاهرتز و 18.25 گیگاهرتز طراحی شده است، با پهنای باند برآورد شده ی 41.3% و تقویت قله حاصل شده برابر 10.2 دسی‌بل. آرایه‌ی پلانار، که دارای یک شبکه تغذیه با یک تقسیم‌کننده تغذیه انعطاف‌پذیر 1 تا 16 است، شامل 4 × 4 عنصر آنتن است که یک الگو با تقویت قله 19.1 دسی‌بل در 15.5 گیگاهرتز ایجاد کرد. یک نمونه آرایه آنتن ساخته شد، و اندازه‌گیری‌ها نشان داد که عملکرد در آرایه تولید شده در محدوده 11.4-17 گیگاهرتز با 39.4% پهنای باند و تقویت قله در 15.5 گیگاهرتز برابر 18.7 دسی‌بل بود. نتایج شبیه‌سازی و تجربی دمای بالا، انجام شده در یک اتاق دما، نشان داد که عملکرد آرایه در یک محدوده دمایی وسیع از -50 تا 150 درجه سانتیگراد پایدار بود.

آنتن طبق تعریف یک حسگر امواج الکترومغناطیسی (EM) است و نقش بسیار مهمی در سیستم های راداری ، حسگرهای زیست‌پزشکی ، شناسایی اطلاعات ماهواره‌ای ، کنترل از راه دور  و ناوبری  ایفا می‌کند. فناوری آنتن‌های آرایه‌ای پچ در چند دهه گذشته به‌دلیل توسعه فناوری‌های مدرن آنتن با هزینه کم ، پروفایل پایین، قابلیت اطمینان بالا و عملکردهای چندگانه به‌طور چشمگیری بهبود یافته است. معایب اصلی آنتن‌های پچ معمولی شامل باند باریک، بهره کم و حساسیت به پارامترهای ماده است . به‌خصوص در محیط‌های با دمای بالا، تغییر دما می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر خواص مواد داشته باشد و در نتیجه منجر به تغییرات فرکانس و افت بهره شود. در این راستا، هدف این تحقیق طراحی یک آرایه آنتن پچ صفحه‌ای با بهره بالا و باند وسیع است که در باند Ku کار کند، در برابر تغییرات دمایی بالا مقاوم باشد و برای حسگری امواج الکترومغناطیسی در یک دامنه دمایی بزرگ مناسب باشد. بنابراین، چالش اصلی در طراحی آنتن، دستیابی به تعادل عملکرد مناسب بین ضخامت آنتن، بهره و باند خواهد بود .

روش‌های مؤثر متعددی در مقالات برای افزایش پهنای باند عملیاتی آنتن‌های میکرواستریپ پیشنهاد شده است. از میان آنها، استفاده از پچ‌های پارازیتی و بهینه‌سازی شکل آنتن مورد توجه قرار گرفته‌اند. به‌طور خاص، آنتن پچی با طراحی شکاف U شکل که به‌صورت تغذیه‌ی لایه‌ای و مشابه ساختار انبوه طراحی شده بود، در مقاله ای معرفی شد و موفق به دستیابی به پهنای باند 2.58 گیگاهرتز (59.7% FBW) و گین حداکثری 8 دسی‌بل شد. سایر راه‌حل‌ها نیز با استفاده از پچ‌های پارازیتی بر روی همان زیرلایه آنتن پچ در مقالاتی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. اگرچه این روش می‌تواند به‌طور مؤثری پهنای باند را گسترش دهد، اما به مساحت قابل توجهی از ناحیه آنتن 2 بعدی نیاز است.

یک استراتژی دیگر بهینه‌سازی شکل شیار مورد استفاده برای تغذیه آنتن‌های پچ را در نظر می‌گیرد. در این زمینه، آنتن‌هایی با شیارهای U شکل به‌منظور افزایش باند عبوری مورد استفاده قرار گرفته‌اند، اما در این موارد، میزان بهره از ۵ دسی‌بل بیشتر نشده است. به‌طور جایگزین، از پروفایل‌های منحنی‌دار نیز برای مدل‌سازی کانتورهای عناصر تابشی پچ بهره گرفته شده است و بهینه‌سازی آن‌ها با اعمال بر روی مجموعه محدودی از درجات آزادی هندسی، انجام شده است. این موضوع با استفاده از روش‌های پیشرفته بهینه‌سازی مورد بررسی قرار گرفته است.

استراتژی متفاوتی به بهینه‌سازی شکل شکاف مورد استفاده برای تأمین انرژی آنتن‌های پچ می‌پردازد. در این زمینه، آنتن‌هایی که از شکاف‌های U شکل استفاده می‌کنند برای افزایش پهنای باند به کار گرفته شده‌اند، اما در این موارد، گین از 5 دسی‌بل بیش‌تر نشد. به‌علاوه، پروفیل‌های قالب‌دار نیز برای مدل‌سازی خطوط مرزی عناصر تابش‌کننده پچ به کار رفته‌اند و بهینه‌سازی آن‌ها با اعمال بر روی مجموعه‌ای محدود از درجات آزادی هندسی انجام شده است. این موضوع با استفاده از روش‌های پیشرفته بهینه‌سازی مورد بررسی قرار گرفته است.

روش‌های دیگری نیز برای بهبود بهره عنصر آنتن مورد بررسی قرار گرفته است. در مراجع ، معرفی چندین پروب کوتاه‌مدت امکان دستیابی به مقادیر بالای بهره بین 8 دسی‌بل و 12 دسی‌بل را فراهم کرده و با پهنای باندی نزدیک به 500 مگاهرتز (13.4% FBW) همراه است.

در مقاله ای، با استفاده از یک شبکه تغذیه با چهار کلید دیود پین، حالت‌های کاری متعددی بر روی آنتن ایجاد شد، از جمله حالت مشترک و طرح‌های تغذیه تفاضلی. این راه‌حل امکان تغییر الگوی تابش را فراهم کرد و یک الگوی با بهره‌وری بالا با پهنای باند آنتن 200 مگاهرتز (7% FBW) به دست آمد. در مقاله دیگری ، ترکیب یک پروب کوتاه‌مدت و پتچ‌های دو قطبی چندپورته، به بهبود بهره‌وری آنتن و پهنای باند کمک کرد و به مقادیر 800 مگاهرتز (22% FBW) رسید. در یک مقاله دیگر ، یک روش جدید برای حذف بخشی از زیرلایه دی‌الکتریک پیشنهاد شد و مشخص شد که آنتن طراحی شده توانسته است بهره‌وری 7 دسی‌بل و پهنای باند 400 مگاهرتز (10% FBW) را به دست آورد.

علاوه بر این، آنتن‌های پچ الکتریکی بلندتر دارای بهره بیشتر، اما باندهای باریکی هستند. در این راستا، یک آنتن پچ مستطیلی بلند با یک تغذیه واحد در یک مقاله پیشنهاد شد که بهره آن به 10.5 دسی‌بل رسید. در دیگری ، یک آنتن rectified با ساختار جمع و جور ساخته شد که ویژگی‌های پچ‌های بلند و راهنماهای موج هم‌سطح را ترکیب می‌کند. در مقاله ی دیگر ، با اتصال کوتاه هر دو انتهای یک پچ بلند، حالت‌های مختلفی ایجاد شدند که بهره آنتن به 9.7 دسی‌بل رسید و به‌طور مشترک، پهنای باندی معادل 13.2% به دست آمد. در دیگر مقاله ای، یک آنتن با باند بسیار وسیع، بهره بالا و قطبی‌شده به صورت دایره‌ای پیشنهاد شد که FBW و بهره اوج آن به ترتیب معادل 49.8% و 8.5 دسی‌بل بود.

به‌تازگی، بسیاری از مطالعات به بررسی آنتن‌های دیپول چندپورت پرداخته‌اند تا با افزایش ناحیه تابش دیپول، پهنای باند و بهره آنتن را بهبود بخشند. در این راستا، آنتنی که در مرجع [33] پیشنهاد شده، با تکیه بر مکانیزم تابش آنتن دیپول و آنتن پچ میکروستریپ، بهره‌گیری بالا (8.9 dBi) و عملکرد پهن‌بانده (48% FBW) را به دست آورده است، اما در فرکانس پایین‌تری برای کاربرد در این تحقیق.

این مطالعه یک آنتن پچ میکروستریپ با شکاف دو-H شکل جدید و مقاوم در برابر تغییرات دمای بالا را پیشنهاد می‌دهد که به عنوان عنصر تابشی یک آنتن آرایه‌ای با پروفیل کم‌ارتفاع، باند وسیع و بهره بالا عمل می‌کند. به منظور آزمایش اثربخشی طراحی پیشنهادی، آنتن ساخته شده و نمونه آن برای مقایسه با نتایج عددی اندازه‌گیری شده است. تحلیل مقاومت حرارتی در یک اتاقک دما بین −50 ◦C و 150 ◦C انجام شد.


طراحی و مدلسازی آنتن

هندسه المان های آنتن 

المان آنتن پیشنهادی در شکل 1 نشان داده شده و شامل سه قسمت است. قسمت اول یک مجموعه PATCH است که شامل یک جفت PATCH، دو بستر دی الکتریک (یعنی بستر 1 و بستر 2) که با ماده Rogers 4350B مشخص می‌شوند (εr = 3.66، tan δ = 0.004) و یک صفحه زمین (یعنی زمین 1) با یک شکاف دو-H که از طریق یک خط میکرو استرپ تغذیه می‌شود، می‌باشد. قسمت دوم یک مجموعه هم‌سطح است که شامل چهار PATCH پارازیتی، یک صفحه زمین (یعنی زمین 2) که به صفحه زمین قسمت اول از طریق ستون‌های پین فلزی متصل شده است، و یک بستر دی الکتریک (یعنی بستر 3) می‌باشد.

شکل 1. ساختار مؤلفه آنتن: (الف) طرح سه‌بعدی مؤلفه آنتن پیشنهادی؛ (ب،ج) اندازه پارامترها به میلیمتر در مؤلفه آنتن پیشنهادی (𝐿p = 12.5 میلیمتر، 𝐿g1 = 5 میلیمتر، 𝐿g2 = 𝐿g3 = 1.2 میلیمتر، ℎair = 2 میلیمتر)؛ (ب) پچ‌های زمین 1 (رادیاتور پچ) و پچ‌های پارازیتی (رادیاتور هم‌صفحه)؛ (ج) پچ‌ها (رادیاتور پچ).

2.2. طراحی مؤلفه آنتن
مؤلفه آنتن پیشنهادی در این مقاله از یک شکاف تغذیه‌شده دو-اچ شکل نوآورانه استفاده می‌کند که امکان تولید چندین حالت تشدید را به دلیل ساختار دو پچ اتخاذ شده فراهم می‌آورد. به‌طور خاص، رادیاتور پارازیتی هم‌صفحه و ساختار تابش پچ یک حفره تشدیدی تشکیل می‌دهند که عامل کیو را کاهش و پهنای باند آنتن را افزایش می‌دهد. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده، طراحی مؤلفه آنتن پیشنهادی در چهار مرحله انجام شده است. در هر مرحله، عملکرد آنتن و به‌طور دقیق‌تر، بزرگی ضریب بازتاب و بهره الگوی تابش شبیه‌سازی شده‌اند تا بهبودهای به‌دست‌آمده را نشان دهند (شکل 3).

در مرحله اول (مرحله I)، یک آنتن پچ با یک شکاف H شکل در نظر گرفته شد. فرکانس رزونانس میکرواستریپ پچ که در حالت TM10 کار می‌کند، محاسبه شد.


Wp و Lp به ترتیب عرض و طول مؤثر هستند که طبق [1] محاسبه می‌شوند. پهنای باند آنتن، که به عنوان محدوده فرکانسی که در آن مقدار ضریب بازتاب کمتر از −10 dB است، محاسبه می‌شود، از 15.17 تا 15.73 گیگاهرتز بوده و در نتیجه FBW معادل 3.6% و حداکثر افزایش نشاندهی 6.8 dBi در 15.5 گیگاهرتز حاصل می‌شود.