آنتن پچ چیست؟

منظور از آنتن پچ چیست

آنتن پچ چیست: آنتن‌های پچ یکی از انواع آنتن‌های مسطح است که در 3 دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. آنتن پچ میکرواستریپ، یک آنتن صفحه‌ای است که به دلیل هندسه مسطح آن بسیار موردتوجه قرارگرفته است. این نوع آنتن‌ها در میان طراحان بسیار محبوب بوده و در کاربرد‌های زیادی مورد استفاده قرار می گیرند.

 

 

 ایده آنتن‌های پچ از آنجا شروع شد که محققان متوجه شدن از تکنولوژی مدارات چاپی علاوه بر طراحی خطوط انتقال و قطعات مداری می توان برای تشعشع نیز استفاده کرد. شکل 1 ساختار کلی آنتن‌های پچ شامل صفحه ای فلزی قرار گرفته بر روی یک زیر لایه دی الکتریک و یک صفحه زمین در زیر آن‌ها است. درشکل زیر ساختار یک آنتن پچ مستطیلی آورده شده است.

شکل پچ‌ها در اصل می‌تواند هر شکل دلخواهی باشد اما در عمل پچ‌های مستطیلی، دایروی، مثلثی و حلقوی بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. درشکل 2 زیر چند نمونه مرسوم این اشکال را می توان دید.

 

 

آنتن پچ به چهار روش تغذیه کواکسیالی، تغذیه خط میکرواستریپ، تغذیه روزنه کوپل شده و تغذیه مجاورتی تغذیه می‌شود. در فرآیند تشعشع، در ابتدا انرژی الکترومغناطیسی به داخل ناحیه زیر پچ کوپل می‌شود. این ناحیه همانند یک کاواک تشدید با لبه‌های مدار باز عمل می کند. به همین دلیل مقداری انرژی از آن خارج شده و در فضا تشعشع می کند و در نتیجه هم‌چون آنتن عمل می کند.

مزایا و معایب آنتن پچ چیست

همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، این آنتن‌ها مسطح هستند و قابلیت تغییر پذیری به سطوح مختلف را دارند. ارتفاع و سطح مقطع راداری کم نیز از دیگر ویژگی‌های این آنتن‌ها است. از لحاظ ساختاری آنتن‌‌ها پچ را می توان به کمک تکنولوژی مدارات چاپی تولید کرد و به همین دلیل به راحتی با المان‌های مداری مجتمع می‌شوند.

 آنتن پچ را هم چنین برای کاربردهایی با دو پلاریزاسیون و یا کاربردهای چند باند فرکانسی نیز می‌توان استفاده کرد.

آنتن‌های میکرواستریپ پچ عموما پهنای باند امپدانس کمی دارند که در حالت معمول کمتر از 5 درصد است. البته روش‌های افزایش پهنای باند مختلفی برای آنتن‌ها وجود دارند که می‌توانند تا 50 درصد پهنای باند آنتن را بالا ببرند. اما هزینه این بهبود‌ها افزایش حجم فیزیکی و کاهش بهره آنتن است. در این آنتن‌ها به علت فاصله کم بین پچ تشعشع کننده و صفحه زمین، توان RF پایینی استفاده می‌شود.

 

 

 یکی دیگر از معایب این آنتن‌ها تلفات اهمی بالای آن ها در مقایسه با دیگر آنتن‌ها با اندازه دهانه برابر است. این تلفات اهمی عموما ناشی از دی الکتریک زیر لایه و رسانای فلزی شبکه تغذیه و مدار مقسم توان است.

ویژگی های مواد سازنده آنتن های پچ میکرواستریپ

پچ فلزی معمولا از جنس ورقه های نازک مسی ساخته می‌شود. المان تشعشع کننده بر روی ماده زیر لایه قرار می گیرد. در صورتی که زیر لایه از جنس هوا باشد میتوان برای نگه داری المان تشعشع کننده از نگه دارنده‌ها استفاده کرد.

معمولا ضخامت زیر لایه در حدود 0.01 تا 0.05 طول موج فضای آزاد است. همچنین ثابت دی الکتریک آن نیز در حدود 1 تا 10 می‌تواند متفاوت باشد. برای زیر لایه با ثابت دی الکتریک 1 و 2 می توان از هوا و فوم استفاده کرد. همچنین در زیر لایه های با ثابت دی الکتریک 2 تا 4 اغلب از فایبر گلاس تقویت شده با تفلون استفاده می‌شود.

موادی از قبیل سرامیک، کوارتز و آلومینا ثابت دی الکتریکی در حدود 4 تا 10 دارند. هزینه، تلفات و کاربرد آنتن پارامتری هایی هستند که بر اساس آن ها جنس ماده دی الکتریک تعیین می‌شود.

برای آرایه ها با تعداد المان بالا در فرکانس های پایین مایکروویو (کمتر از 15GHz) دی الکتریک از جنس فوم می تواند علاوه بر کاهش حجم آنتن و تلفات آن، هزینه را نیز کاهش داده و پهنای باند را افزایش دهد. هرچه ثابت دی الکتریک زیر لایه افزایش یابد اندازه پچ کاهش یافته اما بهره وری نیز کم می‌شود.

روش های تغذیه آنتن های پچ میکرواستریپ

روش های تغذیه آنتن پچ را می توان به دو دسته اتصالی و غیر اتصالی تقسیم کرد. در روش اتصالی توان RF از طریق المان های انتقال توان مانند خط میکرواستریپ مستقیما به آنتن پچ متصل می‌شود. در روش های غیر اتصالی از طریق کوپلینگ میدان الکترومغناطیسی توان RF از خط میکرواستریپ به پچ تشعشع کننده منتقل می‌شود. در ادامه چهار روش مرسوم تغذیه آنتن پچ آورده شده است.

 تغذیه خط میکرواستریپ

همانطور که در شکل 4 نشان  داده شده است، در این روش تغذیه یک خط نواری مستقیما به لبه پچ میکرواستریپ مطابق شکل زیر متصل می‌شود. نوار رسانا عرض کمتری نسبت به پچ دارد. مزیت این روش این است که می‌توان خط تغذیه را بر روی همان زیر لایه پچ نصب کرد و به این طریق یک ساختار صفحه ای تولید می‌شود.

 

 

از طریق ایجاد برش در محل اتصال تغذیه می‌توان تطبیق امپدانس بین خط تغذیه و پچ را بدون نیاز به المان‌های اضافی ایجاد کرد. این کار با تنظیم دقیق میزان برش انجام می‌شود.

از مزایای دیگر این روش سادگی در ساخت آن است. در این طرح با افزایش ضخامت زیر لایه، امواج سطحی و تشعشعات ناخواسته خط تغذیه افزایش می‌یابد که باعث کاهش پهنای باند آنتن می‌شود. همچنین تشعشعات خط تغذیه موجب تشعشع ناخواسته پلاریزاسیون مخالف می‌شود.

تغذیه با خط کواکسیال

روش تغذیه کواکسیالی یکی از مرسوم ترین روش های تغذیه آنتن پچ است. مطابق شکل 5 زیر قسمت مغزی خط کواکسیال از میان زیر لایه عبور کرده و به پچ متصل می‌شود. قسمت خارجی کواکسیال نیز به صفحه زمین آنتن متصل می‌شود.

 

 در این روش می‌توان با تنظیم مکان تغذیه بر روی پچ، به تطبیق امپدانس مناسب رسید. روش تغذیه کواکسیالی به راحتی قابل پیاده سازی بوده و تشعشع ناخواسته کمی نیز دارد. مشکلات عمده آن کاهش پهنای باند، سختی در مدل کردن حفره تغذیه و داشتن برآمدگی در محل اتصال به زمین آنتن است.

در آنتن هایی با ضخامت زیر لایه زیاد امپدانس ورودی خاصیت سلفی پیدا کرده که فرآیند تطبیق امپدانس را با مشکل روبرو می کند.

 

 

تغذیه کوپلینگ روزنه ای

در این روش خط میکرواستریپ تغذیه و پچ تشعشع کننده مطابق شکل 6 زیر توسط صفحه زمین از یکدیگر جدا شده اند. کوپلینگ بین پچ و خط تغذیه از طریق یک شکاف بر روی صفحه زمین انجام می‌شود.

روزنه کوپلینگ اغلب در مرکز پچ قرار می‌گیرد تا به کمک تقارن از قطبش متعامد جلوگیری شود. میزان کوپلینگ بین خط تغذیه و پچ توسط شکل، اندازه و مکان روزنه تعیین می‌شود. به علت قرار‌گیری صفحه مین بین خط تغذیه و پچ، تشعشعات ناخواسته حداقل می‌شود.

معمولا یک زیر لایه با ثابت دی الکتریک بالا به عنوان زیر لایه پایینی قرار گرفته و یک زیر لایه ضخیم با ثابت دی الکتریک پایین جهت زیر لایه بالایی استفاده می‌شود تا تشعشع از پچ را بهینه کند. بر خلاف دو روش قبلی، به علت چند لایه شدن آنتن، ساخت آن سخت بوده و همچنین ضخامت آنتن نیز افزایش می‌یابد. همچنین پهنای باند پایین آن نیز از دیگر معایب این روش است.

کوپلینگ مجاورتی

این نوع تغذیه روش کوپلینگ الکترومغناطیسی نیز گفته می‌شود. مطابق شکل 7 دو زیر لایه متفاوت استفاده می‌شود. بین دو زیر لایه خط تغذیه قرار گرفته و پچ تشعشع کننده بر روی زیر لایه بالایی قرار دارد. در این روش از تشعشعات ناخواسته جلوگیری شده و همچنین به دلیل افزایش ضخامت زیر لایه پهنای باند آنتن نیز افزایش می‌یابد.

با توجه به اینکه در این روش از دو زیر لایه استفاده می‌شود می توان با انتخاب بهینه آن ها کارایی آنتن را بهینه کرد. تطبیق امپدانس با کنترل طول خط تغذیه و نسبت طول به عرض پچ قابل دستیابی است. سختی در ساخت و افزایش ضخامت آنتن نیز از معایب آن است.

در جدول زیر مقایسه ای بین روش های مختلف تغذیه آنتن پچ انجام شده است.

 

بررسی آنتن پچ مستطیلی

آنتن پچ مستطیلی مرسوم ترین نوع آنتن پچ است. هندسه آن و پارامتر های فیزیکی آن درشکل 8 آورده شده است. 

ناحیه بین پچ و زمین را می توان به صورت یک کاواک مدل کرد. با توجه به اینکه دیواره‌های بالایی و پایینی کاواک را فلز تشکیل داده است، دیواره های بالایی و پایینی این کاواک الکتریکی بوده و دیواره های جانبی آن مغناطیسی خواهد بود. با این توصیف بر روی دیواره های جانبی خواهیم داشت:

منظور از مد TM در آنتن پچ چیست

با این توصیف آنتن پچ به صورت یک کاواک مدل شد که تنها در آن مد TM منتشر می‌شود. متناسب با طراحی و انتخاب طول و عرض پچ می‌توان مد تشعشع کننده از آنتن را تعیین کرد.(شکل9)

در صورتی که مقدار b  (یا همان W یا ضلع کوچکتر) برابر نصف طول موج قرار دهیم مد  تحریک شده و در صورتی که مقدار a (یا همان L یا ضلع برگتر) برابر نصف طول موج قرار دهیم مد  تحریک می‌شود. دقت شود در مد TM01 ضلع a و در مد TM10 ضلع b تشعشع کننده خواهد بود.

اما در عمل مقادیر فوق در حدود 20 درصد افزوده می‌شود تا تشعشع در فرکانس موردنظر اتفاق افتد. این افزایش طول به دلیل میدان های حاشیه ای و همچنین اثر دو لایه دی الکتریک / هوا است. اعمال این اثرات جهت محاسبه دقیق فرکانس رزونانس به صورت دقیق تا به حال انجام نشده است.

برای هر مد در ناحیه دور آنتن دو صفحه عمود بر هم وجود دارند. این صفحات E-plane و H-plane نامیده می‌شوند. میدان الکتریکی در صفحه E-plane و میدان مغناطیسی در صفحه H-plane قرار خواهند داشت. این صفحات در ناحیه دور متناسب با چگالی جریان سطحی مغناطیسی بر روی لبه های تشعشع کننده تعیین می شوند. در مود TM10 لبه تشعشع کننده موازی محور x است لذا H-plane صفحه   x-z و E-plane صفحه  y-z  است. برای مد چون لبه تشعشع کنند موازی محور y است جای صفحات H-plane و  E-plane عوض می‌شود.

رفتار آنتن پچ چیست

این روابط به دلایل ذکر شده هیچکدام کاملا نمی توانند رفتار آنتن پچ را توصیف کنند و صرفا یک مقدار اولیه‌ای جهت شروع شبیه‌سازی در اختیار طراح قرار می‌دهند. در ادامه به طور مختصر چند مقدار اولیه برای برخی پارامترهای آنتن پچ آورده شده است.

ضخامت زیر لایه تاثیر زیادی بر روی ویژگی‌های آنتن دارد. برای نمونه بهره آنتن با افزایش ضخامت، افزایش می‌یابد. اما تاثیر این پارامتر بر روی برخی ویژگی های آنتن پیچیده تر است. در فرکانس های پایین افزایش ضخامت باعث کاهش پهنای باند می‌شود اما از یک فرکانسی به بعد با افزایش ضخامت پهنای باند افزایش می‌یابد.

برای حد پایین ضخامت رابطه زیر پیشنهاد می‌شود.

ثابت دی الکتریک زیر لایه یکی دیگر از پارامتر های مهم آنتن پچ است. کاهش ثابت دی الکتریک نقش مهمی در افزایش بهره آنتن دارد. اما همانند ضخامت زیر لایه، ارتباط این پارامتر با پهنای باند دارای پیچیدگی های زیادی است.

در مورد ابعاد ضلع غیر تابشگر پچ و ارتباط آن با فرکانس طراحی صحبت کردیم. مقدار  a/b=1.5 را به عنوان رابطه ای جهت مقدار اولیه اضلاع مستطیل تشعشع­گر بیان می‌شود. این مقدار باعث بهینه شدن برخی ویژگی های آنتن می‌شود. همچنین در مورد ابعاد زمین آنتن روابط زیر بیان می‌شود.

با داشتن پارامتر های بالا میتوان آنتن پچ مستطیلی و زمین آن را طراحی کرد. مرحله مهم دیگر تعیین نوع تغذیه و جایگذاری محل دقیق آن بر روی پچ است. ما در این پروژه از تغذیه کواکسیالی استفاده کردیم. جزییات محل قرار تغذیه در ادامه آورده شده است.

بررسی اثر محل تغذیه در فرکانس رزونانس آنتن پچ

در مورد انواع روش های تغذیه آنتن پچ در بالا صحبت کردیم. در ساختار آنتن، تغذیه پچ ها باید به نحوی طراحی می شد که به راحتی از زیر هر آنتن امکان اتصال کابل تغذیه وجود داشته باشد.

بهترین گزینه برای این طراحی تغذیه توسط خط کواکسیال است. پس از انتخاب نوع تغذیه، مرحله بعد انتخاب محل تغذیه است. با انتخاب صحیح محل تغذیه می‌توان امپدانس ورودی آنتن را 50 اهم تنظیم کرد. هر چه محل تغذیه به لبه‌های پج نزدیکتر باشد امپدانس ورودی بزرگتر خواهد بود.

 

 

در آنتن پچ مستطیلی ابتدا باید ضلع تشعشع گر را مطابق پلاریزاسیون مد نظر تعیین کنیم. محل فید در راستای ضلع غیر تشعشع‌گر در مرکز این ضلع است تا از انتشار مد های دیگر جلوگیری کند. محل فید در راستای ضلع غیر تشعشع گر تعیین‌کننده امپدانس ورودی آنتن است.

بررسی اثر جنس و ضخامت زیر لایه بر روی بهره تشعشعی، سمت گرایی،  بهره و پهنای باند آنتن پچ

زیر لایه مورد استفاده در آنتن پچ از موارد بسیار تاثیرگذار در تعیین مشخصات آنتن پچ است. پارامترهای مهم آنتن که برای ما از اهمیت زیادی بر خوردارند عبارتند از بهره و پهنای باند آنتن. همانطور که در فصل قبل بحث شد، بهره آنتن از طریق رابطه ‏زیر به بهره روی تشعشعی و سمت‌گرایی آنتن مربوط می‌شود.

در ادامه به بررسی اثر جنس و ضخامت زیر لایه بر روی بهره‌وری تشعشعی، سمت‌گرایی، بهره و پهنای باند آنتن می‌پردازیم.

مفهوم بهره وری تشعشعی در آنتن پچ چیست

بهره تشعشعی نشان‌دهنده نسبت توان تشعشع شده به کل توان تحویلی به آنتن است. بنابر رابطه زیر هر چه این پارامتر بزرگتر باشد بهره آنتن بیشتر شده و عملکرد بهتری خواهد داشت.

هرچه ضخامت زیر لایه افزایش یابد بهره تشعشعی آنتن نیز افزایش می باید. همچنین یه روش دیگر برای افزایش بهره تشعشعی آنتن استفاده از ماده با ε کمتر است. نتیجه مهم دیگری که میتوان از نمودار برداشت کرد این است که در فرکانس های پایین مقدار بهره تشعشعی آنتن‌های پچ کم است و این میزان به خصوص برای مواد با ε زیاد خیلی کمتر است.

سمت گرایی و بهره آنتن

سمت گرایی آنتن به صورت نسبت چگالی توان در بیم اصلی به چگالی توان متوسط تعریف می‌شود. سمت گرایی آنتن با کاهش و ضخامت زیر لایه افزایش می یابد. اما فرکانس رزونانس تاثیری بر روی میزان سمت گرایی ندارد. برای تاثیر ضخامت و جنس زیرلایه بر روی بهره تشعشعی و سمت گرایی آنتن، انتظار داریم که کاهش و افزایش ضخامت زیر لایه سبب افزایش بهره آنتن شود.

 

 

پهنای باند آنتن پچ چیست

پهنای باند آنتن از مهم‌ترین مشخصه‌های هر آنتن است. آنتن های پچ در حالت معمول نسبت به دیگر آنتن‌ها دارای پهنای باند کمی هستند. همچون دیگر پارامتر های اساسی آنتن پچ، پهنای باند نیز متاثر از جنس و ضخامت زیرلایه است.

در مورد پهنای باند آنتن، نتیجه گیری نوع تاثیر پارامترهای زیر لایه بر روی پهنای باند به سادگی انجام نمی‌شود. نمی­توان در تمام بازه فرکانسی یک نتیجه گیری کلی کرد اما تقریبا می­توان از یک فرکانس به بعد نتیجه‌گیری کرد که کاهش ε و افزایش ضخامت زیر لایه سبب افزایش پهنای باند آنتن می‌شود.

امیدوارم در این مقاله به طور واضح مفهوم آنتن پچ چیست را برای شما روشن کرده باشیم.