مروری بر آنتن های میکرواستریپ

رشد شگفت‌انگیزی در حوزه ارتباطات پهن باند باعث دسترسی گسترده‌تری به تحقیقات و کاربردهای آنتن میکرواستریپ است. انطباق‌پذیری آنتن‌های میکرواستریپ به ابعاد جدیدی به این حوزه افزوده است. مقاله پژوهشی حاضر، مقدمه‌ای بر آنتن‌های میکرواستریپ و مرور کلی بر آنها ارائه می‌دهد. ویژگی‌ها، مزایا، محدودیت‌ها و انواع مختلف تکنیک‌های تغذیه نیز مورد بحث قرار گرفته‌اند. روش‌های مدل‌سازی آنتن میکرواستریپ نیز بررسی شده است. این مقاله همچنین ایده‌ای درباره طبقه‌بندی آنتن‌ها ارائه می‌دهد.

معرفی آنتن های میکرواستریپ

جادو و راز امواج رادیویی از ابتدا ذهن‌اندیشان را به خود مشغول کرده و تا به امروز ادامه دارد. شگفتی رادیو در دنیای ارتباطات بی‌سیم فراگیر و آنی به راحتی پذیرفته می‌شود. در اطراف ما لرزش‌هایی وجود دارد که صداها، تصاویر، داده‌ها و اطلاعات را منتقل می‌کند. جادوی رادیو این لرزش‌ها را از هوا استخراج کرده و داده‌های اصلی را بازمی‌گرداند. عصای جادوگری که مسئول این شگفتی است، آنتن است. آنتن بخش اصلی یک دستگاه رادیویی بی‌سیم است. آنتن فرستنده سیگنال را از خط انتقال می‌گیرد، آنها را به امواج الکترومغناطیسی تبدیل کرده و در فضا پخش می‌کند. در انتهای دیگر خط ارتباطی ، آنتن گیرنده امواج الکترومغناطیسی فرستاده شده را جمع‌آوری کرده و مجدداً آنها را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند.

مرور کلی

یک آنتن را می‌توان به طرق مختلف طبقه‌بندی کرد. ساده‌ترین نوع آنتن، آنتن سیمی است. این ساختار قدیمی‌ترین و در عین حال ساده‌ترین و ارزان‌ترین نوع آنتن محسوب می‌شود. همچنین این آنتن، انعطاف‌پذیرترین گزینه برای بسیاری از کاربردها است.

طبقه‌بندی از نظر ساختار سیم

در آنتن‌های سیمی سه دسته‌بندی دیگر وجود دارد.

1- آنتن دو قطبی یا آنتن خطی - آنتنی که به شکل سیم راست طراحی شده است، به عنوان آنتن دو قطبی یا آنتن خطی شناخته می‌شود.

2- آنتن حلقه‌ای - آنتنی که در آن یک سیم به شکل یک حلقه طراحی شده، به عنوان آنتن حلقه‌ای شناخته می‌شود. این حلقه می‌تواند به اشکال مختلفی باشد، اما به طور کلی حلقه‌های گرد و مربعی برای سهولت در تجزیه و تحلیل و ساخت بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

3- آنتن حلزونی - آنتنی که سیم آن به شکل حلزونی خم شده است. به آن آنتن هلیکس نیز گفته می‌شود.

طبقه‌بندی از نظر دیافراگم

یک نوع دیگر طبقه‌بندی بر اساس دهانه ی آنتن است که سطح آن دو بعدی می‌باشد. آنتن‌های مختلفی که تحت این طبقه‌بندی قرار می‌گیرند به شرح زیر هستند:

1- آنتن Horn - آنتنی که از راهنماهای موج ساخته شده است آنتن Horn نامیده می‌شود. راهنمای موج یک لوله فلزی توخالی است که استفاده می‌شود. شکل آنتن Horn به مقطع عرضی این راهنمای موج بستگی دارد که امواج در آن انتشار می‌یابند، زمانی که یک انتهای راهنما به یک بازOpening بزرگ متصل می‌شود و به عنوان یک آنتن عمل می‌کند. شکل این آنتن می‌تواند مستطیلی یا دایره‌ای باشد.

2- آنتن دیسکی پارابولیک - آنتنی به شکل پارابولا یا دیسک که عمدتاً برای دریافت در مسافت‌های بسیار طولانی یا دریافت از فضا استفاده می‌شود. این نوع آنتن‌ها همچنین به عنوان آنتن‌های بازتابنده شناخته می‌شوند.

3- آنتن میکروستریپ - آنتنی که دارای پچ تابشی است که بر روی زیرلایه حکاکی شده است. طرف دیگر زیرلایه یک صفحه زمین فلزی است.

4- آنتن آرایه‌ای - آنتنی که از چندین عنصر تشکیل شده است. این نوع آنتن‌ها زمانی استفاده می‌شوند که یک عنصر منفرد قادر به ارائه ویژگی‌های مورد نظر نباشد. ویژگی‌های مطلوب می‌توانند با استفاده از چندین عنصر در ساختار آنتن به دست آیند.

طبقه‌بندی از نظر فرکانس

آنتن همچنین از نظر فرکانس، دهانه، قطبی‌سازی و تابش طبقه‌بندی می‌شود.

از میان این طبقات، فرکانس مهم‌ترین آن‌هاست. بنابراین، از نظر فرکانس، طبقه‌بندی آنتن به‌صورت زیر است:

1- آنتن‌های فرکانس بسیار بالا (VHF) و فرکانس فوق‌العاده بالا (UHF): آنتن‌های یاگی-دا، آنتن‌های با الگوی لگاریتمی، آنتن‌های حلزونی، آنتن‌های پانل، آنتن‌های منعطف گوشه‌ای، آنتن‌های پارابولیک و آنتن‌های دیسکونی از جمله آنتن‌هایی هستند که در این فرکانس‌ها کار می‌کنند. دامنه فرکانس VHF از 30 مگاهرتز تا 300 مگاهرتز و دامنه فرکانس UHF از 300 مگاهرتز تا 3 گیگاهرتز متغیر است.

2- فرکانس‌های فوق‌العاده بالا (SHF) و فرکانس‌های بسیار بالای (EHF) آنتن‌ها: در این محدوده، فرکانس از ۳ گیگاهرتز بیشتر است. به این آنتن‌ها، آنتن‌های مایکروویو نیز گفته می‌شود. انواع مختلف آنتن‌ها شامل آنتن‌های پارابولیک، آنتن‌های هورن پیرامیدال، آنتن‌های دیسکون، مونوپل و دایپول، آنتن‌های پچ میکرواستریپ و آنتن‌های فراکتال هستند.

آنتن های میکرواستریپ

آنتن میکرواستریپ (که به عنوان آنتن پچ نیز شناخته می‌شود) یکی از جدیدترین فناوری‌ها در زمینه آنتن‌ها و کاربردهای الکترومغناطیسی است. این آنتن به‌طور گسترده‌ای در سیستم‌های ارتباطات بی‌سیم به دلیل سادگی و سازگاری با فناوری مدار چاپی استفاده می‌شود. هندسه‌های میکرواستریپ که امواج الکترومغناطیسی را تابش می‌کنند، ابتدا در دهه 1950 مطرح شدند.

مفهوم آنتن میکرواستریپ برای اولین بار توسط دِشامپس در سال 1953 پیشنهاد شد. گوتن و بایسینو نیز در سال 1955 یک پتنت در زمینه میکرواستریپ ارائه کردند. خطوط و تابش‌کننده‌های ابتدایی میکرواستریپ دستگاه‌های ویژه‌ای بودند که در آزمایشگاه‌ها توسعه یافته بودند. در این دوره هیچ مدار چاپی تجاری با ثابت دی‌الکتریک کنترل‌شده تولید نشد. بنابراین این آنتن تا دهه 1970 عملی نشد و توسط رابرت ای. مانسون بیشتر توسعه یافت.

توسعه در این دهه با دسترسی به مواد زیرلایه با تلفات کم تشدید شد و سایر عوامل مؤثر بر توسعه شامل بهبود تکنیک‌های فتولیتوگرافی، مدل‌سازی نظری بهتر و ویژگی‌های حرارتی و مکانیکی جذاب زیرلایه بود. اولین آنتن عملی توسط مونسون و هاول توسعه یافت. از آن زمان، تحقیق و توسعه گسترده‌ای در زمینه آنتن‌های میکرواستریپ و آرایه‌های آن‌ها منجر به کاربردهای متنوعی در حوزه وسیع آنتن‌های مایکروویو شده است.

آنتن‌های میکرو استریپ یا آنتن‌های چاپی معمولاً در تقریباً تمام سیستم‌های بی‌سیم به‌کار می‌روند و پیشرفت‌های اخیر در فناوری مدارهای چاپی به این امر کمک کرده است. هدف آنتن میکرو استریپ یا آنتن چاپی، تابش و دریافت انرژی الکترومغناطیسی در محدوده مایکروویو است و نقش مهمی در برنامه‌های ارتباطات بی‌سیم ایفا می‌کند. عملکرد و کارایی یک آنتن میکرو استریپ به هندسه پچ چاپی و ویژگی‌های ماده زیرلایه‌ای که آنتن بر روی آن چاپ شده است، بستگی دارد.

ویژگی‌های آنتن میکرواستریپ

آنتن میکروستریپ به عنوان یک تابش‌دهنده عالی برای بسیاری از کاربردها شناخته شده است، به دلیل مزایای متعدد آن در مقایسه با آنتن‌های مایکروویو سنتی. این ویژگی باعث شده است که در دامنه وسیع فرکانسی از حدود ۱۰۰ مگاهرتز تا ۱۰۰ گیگاهرتز کاربردهای متنوعی پیدا کند.

برخی از مزایای اصلی عبارتند از:
i. وزن سبک دارند.
ii. حجم کمی اشغال می‌کنند.
iii. دارای پیکربندی پلانر با پروفایل پایین هستند.
iv. می‌توانند به سطوح پلانر و غیرپلانر شکل بگیرند.
v. سهولت تولید انبوه به هزینه کم ساخت منجر می‌شود.
vi. پیاده‌سازی آن‌ها بر روی دستگاه آسان است.
vii. ادغام آن‌ها با سایر MICها بر روی یک زیرلایه راحت‌تر است.
viii. امکان قطبش خطی و قطبش دایره‌ای را با تغذیه ساده فراهم می‌کنند.
ix. می‌توانند برای استفاده در ارتباطات سیار شخصی جمع و جور شوند.
x. اجازه عملیات دو و سه‌فرکانسی را می‌دهند.
xi. به عنوان یک رادیاتور کارآمد عمل می‌کنند.
xii. دارای مقطع پراکندگی کم هستند.
xiii. هنگام نصب بر روی سطوح سخت، از نظر مکانیکی مقاوم هستند.
xiv. در برابر شوک و لرزش مقاوم هستند.
xv. برای آنتن‌های جاسازی شده در دستگاه‌های بی‌سیم دستی سازگاری خوبی دارند.
xvi. خط تغذیه می‌تواند به راحتی همزمان با زیرلایه ساخته شود.
با این حال، این آنتن‌ها همچنین نسبت به آنتن‌های سنتی برخی محدودیت‌ها دارند. این موارد عبارتند از:

i. آن‌ها پهنای باند باریکی دارند.
ii. کارایی آن‌ها پایین است.
iii. آن‌ها بهره‌گیری پایینی دارند.
iv. ظرفیت تحمل توان آن‌ها پایین است.
v. ایزولاسیون پایینی بین المان‌های تابشی و تغذیه وجود دارد.
vi. ساختار تغذیه پیچیده‌ای برای آرایه‌های با عملکرد بالا لازم است.
vii. افت اهمی زیادی در ساختار تغذیه آرایه‌ها وجود دارد.
viii. تابش اضافی از تغذیه و تقاطع‌ها.
ix. برانگیختگی موج‌های سطحی.

اندازه آنتن میکرواستریپی هم دارای مزایا و هم معایب است، اما در برخی کاربردها اندازه آنتن میکرواستریپی برای استفاده مناسب نیست. اندازه آنتن میکرواستریپی به صورت معکوس با فرکانس آن مرتبط است. در فرکانس‌های پایین‌تر از میکروویو، استفاده از پچ‌های میکرواسترپی به دلیل ابعاد لازم منطقی نیست. پهنای باند باریک یکی از معایب اصلی این نوع آنتن‌هاست. روش ساده‌ای برای بهبود پهنای باند، افزایش ضخامت زیرلایه است. با این حال، این کار باعث افزایش قدرت امواج سطحی و کاهش قدرت تابش می‌شود که به کارایی تابش نامناسب منجر می‌گردد. بنابراین روش‌های مختلفی ارائه شده‌اند تا پهنای باند امپدانس عریضی برای آنتن‌های میکرواستریپی فراهم کنند. برخی از این تکنیک‌ها به طور اصولی شامل روش‌های تغذیه مناسب و شبکه‌های تطبیق امپدانس، و همچنین درج شیار، شکاف و بریدگی‌ها بر روی آنتن‌های میکرواستریپی هستند. تکنیک تغذیه دارای تعداد زیادی پارامتر تنظیم‌پذیر مانند طول، عرض و شکل است. دیگر راه‌ها برای غلبه بر این محدودیت‌ها شامل کاهش ثابتdielectric زیرلایه، افزایش ضخامت زیرلایه و عرض پچ است. مشکل دیگری که باید حل شود، تضعیف گین برای عنصر آنتن میکرواستریپی سنتی است.

پشتیبانی حفره و پوشش لنز دو روش برای بهبود بهره هستند. پشتیبانی حفره به منظور حذف تابش دوطرفه استفاده شده و بدین ترتیب به نسبت آنتن‌های میکرواسترپ سنتی، بهره بالاتری را فراهم می‌کند. آنتن میکرواسترپ با لنز یک آنتن ترکیبی محسوب می‌شود که از عناصر رادیاتور میکرواسترپ و لنز دی الکتریک تشکیل شده و برای کاربردهای فرکانس بالا بسیار مفید است. آرایه آنتن نیز یکی دیگر از روش‌های مؤثر برای افزایش بهره آنتن‌های میکرواسترپ است.

کاربردهای آنتن میکرواستریپ

استفاده از آنتن میکرواستریپ یا آنتن چاپی پچ نیازهای تجاری متعددی را برآورده می‌کند. از میان اشکال مختلف، آنتن‌های پچ با شکل مستطیلی بیشترین کاربرد را دارند. آنتن پچ میکرواستریپ بیشتر الزامات سیستم‌های ارتباطات ماهواره‌ای و موبایل را برآورده می‌کند و انواع مختلفی از این آنتن‌ها برای این منظور طراحی شده‌اند. کاربردهای دیگری مانند هواپیما، فضاپیما، ماهواره و موشک وجود دارد که استفاده از آنتن میکرواستریپ به دلیل اندازه، وزن، هزینه، عملکرد، سهولت نصب و طراحی کم‌ارتفاع آن مناسب‌تر است. همچنین در زمینه رادیوهای موبایل و ارتباطات بی‌سیم، دیگر کاربردهای دولتی و تجاری وجود دارد که استفاده از این آنتن در آن‌ها مناسب است.

برخی از کاربردهای قابل توجهی که برای آنتن‌های میکروستریپ توسعه یافته و مناسب شناخته شده‌اند عبارتند از:
i. خدمات پخش مستقیم ارتباطات ماهواره‌ای.
ii. سیستم‌های ارتباطات سیار.
iii. رادارهای داپلر و دیگر رادارها.
iv. موشک و تلمتری.
v. سنجش از دور و ابزارهای محیط زیستی.
vi. گیرنده‌های ناوبری ماهواره‌ای.
vii. آلتیمتر رادیویی.
viii. رادیاتورهای بیومدیکال و سیستم‌های هشدار دهنده نفوذ.
ix. سیستم‌ها و خدمات ارتباطات بی‌سیم شخصی.

تعداد زیادی از نیازهای تجاری با استفاده از این آنتن‌ها تأمین می‌شود. کاربردهای مختلفی شامل سیستم موقعیت‌یابی جهانی (GPS)، زیگ‌بی، بلوتوث، وایمکس، وایرلس فیدلیتی (WiFi) و سیستم‌های ارتباط بی‌سیم وجود دارد. کاربردهای ناوبری، مانند ردیابی دارایی‌ها و استفاده‌های دریایی، تقاضای زیادی برای آنتن‌ها ایجاد کرده است. همچنین این آنتن‌ها در شناسایی فرکانس رادیویی (RFID) و سیستم‌های راداری در زمینه‌های تولید، حمل و نقل و پزشکی به طور گسترده‌ای استفاده می‌شوند. به طور خلاصه، آنتن‌های میکرو استریپ نیازهای یک سیستم آنتن سبک و انعطاف‌پذیر را برطرف می‌کنند. در سال‌های اخیر، آنتن‌های میکرو استریپ مونوپول چاپی در خدمات رادیویی دیجیتال ماهواره‌ای کاربرد یافته‌اند که جایگزینی برای پخش‌های صوتی تجاری در وسایل نقلیه است. مزایای استفاده از آنتن‌ها در سیستم‌های ارتباطی به تولید برنامه‌های جدیدی که به استفاده از آن‌ها نیاز دارند ادامه خواهد داد. آن‌ها دستگاهی هستند که تمام سیستم‌های بی‌سیم را که در جامعه ما به شدت رایج شده‌اند، امکان‌پذیر می‌سازند.

هزینه‌های مادی زیرساخت‌های سیمی همچنین استفاده از آنتن‌ها را در بسیاری از سیستم‌های ارتباطی مدرن تشویق می‌کند. با افزایش آگاهی از امکانات آنتن‌های میکرو استریپ، به ویژه به دلیل مکانیزم تابش و عملکرد کارآمد آن‌ها، تعداد کاربردها به رشد خود ادامه خواهد داد. برای برخی از کاربردها در زمینه ارتباطات، پشتیبانی الکترونیکی و اقدامات مقابله‌ای، رادار و رادیومتری، نیاز به پهنای باند وسیع وجود دارد.

ساختار آنتن میکروستریپ

بیشترین استفاده از آنتن‌های میکروستریپ، پچ‌های مستطیلی و دایره‌ای است. این پچ‌ها می‌توانند برای ساده‌ترین تا پیچیده‌ترین کاربردها مورد استفاده قرار گیرند. به عنوان مثال، ویژگی‌هایی مانند عملکرد دو فرکانسی، قطبش دایره‌ای و دوگانه، پهنای باند وسیع، و اسکن پرتو به سادگی در این پچ‌ها به دست می‌آید. هر تکنیک عددی یا تحلیلی جدید ابتدا بر روی این هندسه‌ها استانداردسازی می‌شود. بدون شک ساده‌ترین پیکربندی آنتن میکروستریپ، آنتن پچ مستطیلی است. بنابراین این مقاله به آنتن میکروستریپ مستطیلی می‌پردازد. ساده‌ترین شکل آنتن پچ میکروستریپ، شامل یک پچ تابش‌کننده در یک سمت از بستر دی الکتریک و یک صفحه زمین در سمت دیگر است، همان‌طور که در شکل 1 نشان داده شده است.