یک عنصر عملکردی قابل توجه در سیستم‌های ارتباطی و رادار، و همچنین دستگاه‌های بی‌سیم، آنتن است. آنتن ممکن است به عنوان مبدلی بین یک موج الکترومغناطیسی هدایت شونده (EM) که در طول یک خط انتقال منتشر می‌شود و یک موج EM که در یک محیط نامحدود (معمولاً فضای آزاد) منتشر می‌شود یا بالعکس تعریف شود. آنتن برای انتقال یا دریافت انرژی EM با ویژگی‌های جهت و قطبش مناسب برای کاربرد مورد نظر مورد نیاز است.
آنتن مایکرواستریپ یک اختراع نسبتاً مدرن است. این آنتن اختراع شد تا امکان ادغام راحت یک آنتن و سایر مدارهای محرک یک سیستم ارتباطی را روی یک برد مدار چاپی مشترک یا یک تراشه نیمه هادی فراهم کند. علاوه بر سایر مزایای حاصل، فناوری مدار مجتمع برای ساخت آنتن، دقت ابعادی بالایی را ممکن می‌سازد، که دستیابی به آن در روش‌های ساخت سنتی دشوار بود.
هندسه یک آنتن مایکرواستریپ از یک بستر دی‌الکتریک با ضخامت معین d تشکیل شده است که روی یکی از سطوح آن فلزی شدن کامل و در طرف دیگر از یک "پچ (Patch)" فلزی برخوردار است. بستر معمولاً نازک است. پچ فلزی روی سطح جلویی می‌تواند اشکال مختلفی داشته باشد، اگرچه معمولاً از یک شکل مستطیلی، استفاده می‌شود. آنتن ممکن است با استفاده از روش‌های مختلف تحریک شود. یکی از روش‌های رایج تغذیه از یک خط مایکرواستریپ است که آنتن مایکرواستریپ را در مرکز یکی از لبه‌های آن به هم وصل می‌کند. خط مایکرواستریپ ممکن است به یک مدار تغذیه متصل شود یا مستقیماً با اتصال یک منبع سیگنال در سراسر خط مایکرواستریپ و صفحه زمین تغذیه شود.
آنتن مایکرواستریپ حداکثر تابش را در جهت پهن (عمود بر بستر) تولید می‌کند و در حالت ایده‌آل هیچ تابشی در جهت پایانی (در امتداد سطح زیرلایه) تولید نمی‌کند. اندازه آنتن معمولاً به گونه‌ای طراحی می‌شود که آنتن در فرکانس کاری تشدید می‌شود و امپدانس ورودی واقعی ایجاد می‌کند. برای یک آنتن مایکرواستریپ مستطیلی، نیاز است که طول آنتن، L، حدود نیمی از طول موج در محیط دی‌الکتریک باشد. از طرف دیگر، عرض آنتن، W، سطح امپدانس ورودی را تعیین می‌کند. آنتن مایکرواستریپ را می‌توان به عنوان یک حفره مستطیلی با دیواره‌های جانبی باز در نظر گرفت. میدان‌های حاشیه‌ای از طریق دیواره‌های جانبی باز مسئول تشعشع هستند. با این حال، ساختار اساساً یک حفره رزونانسی است که فقط تابش حاشیه‌ای محدود دارد. بنابراین، پهنای باند تابش در مقایسه با پهنای باند آنتن‌های دیگر، ضعیف است. با این حال، پهنای باند کوچک در کلاس بزرگی از برنامه‌های ارتباطی کافی است.
فرادرس آموزش‌های کامل و مفید را توسط اساتید مجرب ارائه می‌دهد. آموزش‌های موجود در زمینه‌های مختلفی ارائه شده که می‌توانید با توجه به نیازتان از آنها بهره ببرید. در مورد آنتن‌های مایکرواستریپ و موضوعات مرتبط با آن نیز در فرادرس آموزش‌هایی همچون آموزش آنتن‌های مایکرواستریپ و طراحی آن با نرم‌افزار CST، آموزش طراحی آنتن مایکرواستریپ با HFSS، مجموعه آموزش‌های مهندسی مخابرات و همچنین مباحث مختلف دیگری ارائه شده است که بسیار مفید و کاربردی هستند.
• آموزش طراحی آنتن مایکرواستریپ با HFSS — کلیک کنید
در مخابرات، آنتن مایکرواستریپ (که به عنوان آنتن چاپی نیز شناخته می‌شود) معمولاً به معنای آنتنی است که با استفاده از تکنیک‌های فوتولیتوگرافی روی برد مدار چاپی (PCB) ساخته شده است. نوعی آنتن داخلی است. آنها بیشتر در فرکانس‌های مایکروویو استفاده می‌شوند. یک آنتن مایکرواستریپ مجزا از یک پچ خنثی فلزی با اشکال مختلف (یک آنتن پچ) روی سطح PCB (برد مدار چاپی) با یک صفحه زمین خنثی فلزی در طرف دیگر برد تشکیل شده است. اکثر آنتن‌های مایکرواستریپ از چندین پچ در یک آرایه دو بعدی تشکیل شده‌اند. آنتن معمولاً از طریق خطوط انتقال مایکرواستریپ خنثی به فرستنده یا گیرنده متصل می‌شود. جریان فرکانس رادیویی بین آنتن و صفحه زمین اعمال می‌شود (یا در آنتن‌های گیرنده سیگنال دریافتی تولید می‌شود). آنتن‌های مایکرواستریپ در دهه‌های اخیر به دلیل مقطع مسطح نازک خود که می‌توانند در سطوح محصولات مصرفی، هواپیماها و موشک‌ها گنجانده شوند؛ سهولت ساخت آنها با استفاده از تکنیک‌های مدار چاپی؛ سهولت ادغام آنتن روی همان برد با بقیه مدار و امکان افزودن دستگاه‌های فعال مانند مدارهای مجتمع مایکروویو به خود آنتن برای ساخت آنتن‌های فعال آنتن پچ، بسیار محبوب شده‌اند.
رایج‌ترین نوع آنتن مایکرواستریپ معمولاً به عنوان آنتن پچ شناخته می‌شود. آنتن‌هایی با استفاده از پچ‌ها به عنوان عناصر سازنده در یک آرایه نیز امکانپذیر است. یک آنتن پچ یک آنتن باند باریک و پرتو عریض است که با زدودن الگوی عنصر آنتن در طرح فلزی متصل به یک بستر دی‌الکتریک عایق، مانند یک برد مدار چاپی، با یک لایه فلزی پیوسته که به طرف مقابل زیرلایه چسبانده شده است، ساخته می‌شود، که صفحه زمین را تشکیل می‌دهد. شکل‌های رایج آنتن مایکرواستریپ مربع، مستطیل، دایره و بیضی است، اما هر شکل پیوسته دیگری نیز امکانپذیر است. برخی از آنتن‌های پچ از بستر دی‌الکتریک استفاده نمی‌کنند و در عوض از یک پچ فلزی ساخته شده‌اند که در بالای سطح زمین با استفاده از فاصله دهنده‌های دی‌الکتریک نصب شده است؛ ساختار حاصل پهنای باند وسیع‌تری دارد. از آنجایی که چنین آنتن‌هایی مشخصات بسیار پایینی دارند، از نظر مکانیکی سخت هستند و می‌توان آنها را به گونه‌ای شکل داد که با پوسته خمیده یک وسیله نقلیه مطابقت داشته باشد، آنها اغلب در قسمت بیرونی هواپیما و فضاپیما نصب می‌شوند، یا در دستگاه‌های مخابراتی رادیویی سیار ادغام می‌شوند.
کار آنتن مایکرواستریپ چیست؟
یک مایکرواستریپ یا آنتن پچ به گونه‌ای عمل می‌کند که وقتی جریان از طریق خط تغذیه به نوار آنتن می‌رسد، امواج الکترومغناطیسی تولید می‌شود.
امواج از پچ شروع به تابش از سمت عرضی می‌کنند. اما از آنجایی که ضخامت نوار بسیار کوچک است، بنابراین امواجی که در داخل بستر تولید می‌شوند توسط لبه نوار منعکس می‌شوند. ساختار پیوسته نوار در امتداد طول، اجازه انتشار تشعشع را نمی‌دهد.
علاوه بر این، با تجربه یک ناپیوستگی ناگهانی در ساختار پچ، تشعشعات دوباره از سمت عرض دوم پچ ساطع می‌شوند. از آنجایی که این ساختار ناپیوسته به بازتاب‌ها توجه دارد، بنابراین آنتن پچ تنها بخش کوچکی از انرژی فرودی عرضه شده را ساطع می‌کند. این باعث می‌شود آنتن ناکارآمد باشد، که به جای نمایش ویژگی‌های یک تشعشع کننده خوب، تا حدودی به عنوان یک حفره عمل می‌کند. توانایی تابش کم آنتن مایکرواستریپ باعث می‌شود که آنها تنها فواصل کوچک انتقال امواج مانند دفاتر محلی، فروشگاه‌ها یا هر مکان داخلی را پوشش دهد. به این ترتیب چنین انتقال ناکارآمدی در یک مکان متمرکز در یک منطقه بسیار بزرگ قابل پشتیبانی نیست. به طور کلی، پوشش نیمکره‌ای توسط یک آنتن پچ در زاویه ۳۰⁰ تا ۱۸۰⁰ در عرض از پایه ارائه می‌شود.
الگوی تابش در آنتن مایکرواستریپ به چه شکل است؟
شکل زیر الگوی تابش آنتن مایکرواستریپ را نشان می‌دهد:
الگوی تشعشع آنتن مایکرواستریپ یا آنتن پچ گسترده است. قدرت تابش کم و پهنای باند فرکانس باریکی دارد.
ویژگی‌های آنتن مایکرواستریپ
آنتن مایکرواستریپ در ساده‌ترین شکل خود از یک پچ تابشی در یک طرف بستر دی‌الکتریک و یک صفحه زمین در طرف دیگر تشکیل شده است.
تابش آنتن مایکرواستریپ می‌تواند از میدان‌های حاشیه‌ای بین لبه پچ و صفحه زمین رخ دهد. طول L پچ مستطیلی برای تحریک حالت اصلی کمی کوچکتر از λ/۲ است، که λ طول موج در محیط دی‌الکتریک است.
ویژگی‌ها:
پچ آنتن باید یک ناحیه رسانای بسیار نازک باشد، t<<λ۰ (λ۰ طول موج فضای آزاد است).
سطح زمین باید ابعاد نسبتاً بزرگی نسبت به پچ داشته باشد.
زدایش نوری برای ساخت عنصر تابشی و خطوط تغذیه روی بستر انجام می‌شود.
یک بستر دی‌الکتریک ضخیم با ثابت دی‌الکتریک در محدوده ۲/۲ تا ۱۲ عملکرد آنتن خوبی را ارائه می‌دهد.
آرایه‌هایی از عناصر مایکرواستریپ در پیکربندی آنتن، جهت دهی بیشتری را ارائه می‌دهند.
آنتن‌های مایکرواستریپ پهنای پرتو بالایی را ارائه می‌دهند.
یک فاکتور با کیفیت بسیار بالا توسط یک آنتن پچ ارائه می‌شود. Q بزرگ منجر به پهنای باند باریک و راندمان پایین می‌شود. با این حال، می‌توان با افزایش ضخامت بستر جبران کرد. با این حال، افزایش ضخامت بیش از حد معین باعث از دست دادن ناخواسته توان می‌شود.
• آموزش مدارهای مخابراتی — کلیک کنید
کاربردهای آنتن مایکرواستریپ
برای آنتن پچ مایکرواستریپ کاربردهای متعددی در مخابرات بی‌سیم یافت می‌شود. به عنوان مثال، ارتباطات ماهواره‌ای به الگوهای تابش قطبی دایره‌ای نیاز دارد که می‌تواند با استفاده از آنتن مایکرواستریپ مربع یا دایره‌ای محقق شود. در سیستم‌های ماهواره‌ای موقعیت یاب جهانی (GPS)، آنتن‌های مایکرواستریپ قطبی دایره‌ای استفاده می‌شوند.
آنتن‌های مایکرواستریپ در زمینه‌های RFID (شناسایی فرکانس رادیویی)، ارتباطات سیار و مراقبت‌های پزشکی نیز استفاده می‌شوند. به طور کلی، از فرکانس‌های بین ۳۰ هرتز تا ۸/۵ گیگاهرتز استفاده می‌کند. در کاربردهای پزشکی از راه دور، آنتن های مایکرواستریپ با فرکانس ۴۵/۲ گیگاهرتز کار می‌کنند. آنتنی با بهره ۷/۶ دسی بل و رزونانس ۴۵/۲ گیگاهرتز برای کاربردهای پزشکی از راه دور مناسب است.
استاندارد IEEE ۸۰۲.۱۶ به عنوان WiMax (قابلیت همکاری جهانی برای دسترسی به مایکروویو) شناخته می‌شود. شعاع آن تا ۴۸ کیلومتر (۳۰ مایل) با سرعت داده ۷۰ مگابیت بر ثانیه است. آنتن‌های مایکرواستریپ می‌توانند در بیش از یک فرکانس تشدید کنند. بنابراین می‌توان از آنها در تجهیزات ارتباطی مبتنی بر WiMax استفاده کرد.
برخی از کاربردهای مبتنی بر ارتباط آنتن‌های پچ مایکرواستریپ عبارتند از: ارتفاع‌سنج‌های رادیویی، سیستم‌های فرمان و کنترل، سنجش از راه دور و ابزار دقیق محیطی، عناصر تغذیه در آنتن‌های پیچیده، گیرنده‌های ناوبری ماهواره‌ای، رادیو موبایل، آنتن‌های یکپارچه، تشعشع کننده‌های زیست پزشکی، دوپلر و رادارهای دیگر، و خدمات ارتباط ماهواره ای و انتشار مستقیم.
مزایا و معایب آنتن‌های مایکرواستریپ
آنتن‌های مایکرواستریپ یکی از پرطرفدارترین انواع آنتن‌های چاپی است که در دنیای امروزی فناوری ارتباطات بی‌سیم نقش بسیار مهمی ایفا می‌کنند. ساخت این آنتن‌ها با استفاده از تکنیک‌های ساخت مرسوم، بسیار ساده است.
مزایای آنتن‌های مایکرواستریپ:
· هزینه ساخت پایین، از این رو می‌توان آنها را در مقادیر زیاد تولید کرد.
· قابلیت انجام عملکردهای فرکانسی دوگانه و سه گانه.
· به راحتی با مدار مجتمع مایکروویو ادغام می‌شود.
· این آنتن اندازه کوچکتری دارد و از این رو اندازه و دستگاه‌های کوچکتری را ارائه خواهد داد.
· کم هزینه.
· کارایی بالا.
· وزن سبک و حجم کم.
· جرم کم.
· از پلاریزاسیون خطی و دایره‌ای پشتیبانی می‌کند.
· آنها در فرکانس‌های مایکروویو کار می‌کنند که در آن آنتن‌های سنتی قابل طراحی نیست.
· مستطیل، مثلث، مربع، شکل‌های متفاوتی از پچ‌های مایکرواستریپ هستند که به راحتی زدایش می‌شوند.
· از آنجایی که آنتن‌های مسیر در امتداد خط مرکزی تغذیه می‌شوند، تحریک سایر حالت‌های نامطلوب را به حداقل می‌رساند.
· به راحتی می‌توان آنتن‌های مایکرواستریپ را با MICs و MMICs ادغام کرد.
· هنگامی که بر روی سطح سفت و سخت دستگاه‌ها نصب می‌شوند، مقاوم هستند.
· خط تغذیه و شبکه تطبیق می‌توانند همزمان با ساختار آنتن باشند.
معایب آنتن‌های مایکرواستریپ:
· بهره کمتری را ارائه می‌دهند.
· پهنای باند باریک مرتبط با مسأله تحمل.
· تحریک امواج سطحی است.
· تلفات اهمی بزرگ در ساختار تغذیه آرایه‌ها.
· بیشتر آنتن‌های مایکرواستریپ به نیمه فضا تابش می‌کنند.
· دارای قابلیت کنترل توان کمتری است.
· ظرفیت کنترل توان کم.
· تشعشعات خارجی از تغذیه و اتصالات.
· سطح بالاتری از تابش قطبش متقاطع دارد.
· راندمان پایینی را به دلیل تلفات دی‌الکتریک و همچنین تلفات رسانا ارائه می‌دهد.
· دارای پهنای باند امپدانس ذاتی کمتری است.
· این نوع ساختار از تغذیه و سایر نقاط اتصال تابش می‌شود.
روش‌های تغذیه آنتن‌های مایکرواستریپ
روش‌های زیادی برای تغذیه آنتن‌های مایکرواستریپ وجود دارد. محبوب‌ترین روش‌ها عبارتند از:
۱. تغذیه خط مایکرواستریپ: این روش تغذیه بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا طراحی و تحلیل آن بسیار ساده است و ساخت آن بسیار آسان است.
۲. تغذیه پروب کواکسیال (تغذیه همسطح): اتصال برق به آنتن پچ از طریق پروب روشی بسیار ساده، ارزان و مؤثر است. اگر طراح نقطه تغذیه را روی Ω ۵۰ تنظیم کند، پس فقط باید از یک کابل کواکسیال Ω ۵۰ با اتصال دهنده کواکسیال نوع N استفاده کند.
۳. جفت شدن مجاورتی: جفت مجاورتی استفاده از دو بستر است. پچ در بالا، صفحه زمین در پایین قرار خواهد گرفت و خط مایکرواستریپ به منبع برق متصل شده و بین دو بستر قرار می‌گیرد. این نوع تغذیه به عنوان "تغذیه مایکرواستریپ جفت شده الکترومغناطیسی" نیز شناخته می‌شود.
۴. جفت شدن روزنه: صفحه زمین دارای روزنه‌ای به شکل دایره یا مستطیل است و دو بستر را از هم جدا می‌کند: زیرلایه بالایی با پچ روی آن و زیرلایه پایینی با خط تغذیه مایکرواستریپ زیر آن.
از آنجایی که آنتن از یک طرف زیرلایه (بستر) تابش می‌کند، بنابراین تغذیه آن از طرف دیگر (سطح زمین)، یا از طرف عنصر آسان است. مهمترین چیزی که باید در نظر گرفته شود حداکثر انتقال توان است (تطابق خط تغذیه با امپدانس ورودی آنتن). بسیاری از طرح‌های خوب به دلیل تغذیه بد کنار گذاشته شده‌اند. طراح می‌تواند آنتنی با ویژگی‌های خوب و پارامتر تابش خوب و راندمان بالا بسازد، اما وقتی تغذیه بد است، راندمان کل می‌تواند به سطح پایینی کاهش یابد که باعث می‌شود کل سیستم رد شود.
در فرادرس مباحث مقدماتی تا پیشرفته در مورد آنتن‌های مایکرواستریپ، معرفی و آموزش نرم‌افزارهای مختلف برای طراحی آنتن‌ها و بسیاری مطالب مرتبط دیگر به طور دقیق و کاربردی ارائه شده است که می‌توانید برای انجام پروژه‌های خود از آنها بهره ببرید.
• آموزش آنتن‌های مایکرواستریپ و طراحی آن با نرم‌افزار CST — کلیک کنید
نظر شما