پروژه های برق و الکترونیک

آنتن Microstrip و کاربرد های آن

آنتن Microstrip یکی از محبوب ترین انواع آنتن ها می باشد و نقش بسیار مهمی در سیستمهای ارتباطی بی سیم امروزی دارند.
در اینجا ما آنتن میکرواستریپ مورد بحث قرار می دهیم

آنتن یکی از مؤلفه های مهم در هر سیستم ارتباط بی سیم است کلمه "آنتن" از کلمه لاتین "antemna" گرفته شده است از زمان نمایش اولین فناوری بی سیم توسط هاینریش هرتس و اولین کاربرد آن در ارتباط رادیویی عملی توسط گوگللیمو مارکونی ، آنتن یک ساختمان اساسی در ساخت هرسیستم ارتباطی بی سیم بوده است.
IEEE آنتن را به عنوان "بخشی از سیستم فرستنده یا گیرنده که برای تابش یا دریافت امواج الکترومغناطیسی طراحی شده است" تعریف می کند.

طبقه بندی

آنتن ها را می توان به طور گسترده به عنوان آنتن های سیم ، آنتن دیافراگم ، آنتن های چاپی ، آنتن های آرایه ای ، آنتن های بازتابنده و آنتن های لنز طبقه بندی کرد.

آنتن های سیمی

این نوع اصلی آنتن است که در بالای ساختمان ها ، اتومبیل ها ، کشتی ها و سفینه های فضایی استفاده می شود. این آنتن ها به شکل های مختلفی از جمله سیم مستقیم (دو قطبی) ، حلقه و مارپیچ ساخته می شوند.

آنتن دیافراگم

این آنتن ها به صورت شکاف یا دیافراگم در صفحه فلزی بوده و معمولاً در فرکانس های بالاتر (3-30 گیگاهرتز) استفاده می شوند. نمونه های بارز آنتن های موجبر موج دار و آنتن های شاخ هستند. این آنتن ها برای کاربردهای هواپیما و فضاپیما بسیار مفید هستند ، زیرا می توان آنها را به راحتی روی سطح هواپیما یا فضاپیما سوار کرد.

در عمل ، این آنتن ها با ماده دی الکتریک پوشانده شده اند تا از آنها در برابر شرایط خطرناک محیطی محافظت شود.

آنتن های چاپ شده

با تعریف یک آنتن چاپی ، آنتی است که با استفاده از تکنیک استاندارد فوتولیتوگرافی ساخته می شود متداول ترین نسخه آنتن چاپی آنتن میکرواستریپ است که از یک لکه فلزی در بالای صفحه زمین تشکیل شده است شکل و اندازه پچ ، دفعات عملکرد آنتن و عملکرد آن را تعیین می کند.

این آنتن ها به دلیل کم هزینه بودن و سهولت در ساخت و ادغام آسان با اجزای مدار محبوبیت بیشتری دارند آنتن های چاپی با استفاده از فناوری مدرن مدار چاپی برای ساخت ارزان نیستند و مطابق با سطوح مسطح و غیر مسطح هستند این آنتن ها را می توان به راحتی روی سطح موشک های ماهواره ای فضاپیمای هواپیما و حتی بر روی دستگاه های تلفن همراه دستی نصب کرد.

آنتن های آرایه ای

در یک آنتن آرایه چندین رادیاتور جدا از یکدیگر به صورت هندسی تنظیم شده اند تا ویژگی های تابش مطلوب را داشته باشند که دستیابی به آنها با یک عنصر تابش مستقل تنها امکان پذیر نیست ترتیب عناصر آرایه به گونه ای است که تشعشع از عناصر جداگانه به حداکثر تابش در جهت یا جهت خاص و حداقل تابش در جهت های دیگر اضافه می شود در عمل ، رادیاتورهای جداگانه بسته به کاربرد ، به صورت خطی یا مسطح تنظیم می شوند

آنتن های بازتاب دهنده

این آنتن ها بطور خاص در برنامه های کاربردی مورد نیاز برای برقراری ارتباط در مسافت های طولانی مانند کاوش در فضای بیرونی و ارتباطات ماهواره ای مورد استفاده قرار می گیرند آنها با قطرهای بزرگ ساخته شده اند تا برای به دست آوردن سیگنال  بالا برای انتقال یا دریافت سیگنال در مسافت های بسیار طولانی نیاز داشته باشند آنتن بازتابنده معمولاً از آنتن کوچکتر به عنوان خوراک استفاده می کند.

آنتن های لنز

در این لنزها برای جمع آوری انرژی واگرا از حادثه استفاده می شود تا از انتشار آن در جهت های ناخواسته جلوگیری شود
با انتخاب مواد مناسب و تنظیم پیکربندی هندسی لنزها ، آنها می توانند اشکال مختلف انرژی واگرا را به امواج هواپیما تبدیل کنند آنتن های لنز با توجه به موادی که از آنها ساخته می شوند یا شکل های هندسی آنها طبقه بندی می شوند.

آنتن Microstrip: رایج ترین آنتن چاپ شده

آنتن Microstrip یکی از محبوب ترین انواع آنتن چاپی است این نقش بسیار مهمی در دنیای امروز سیستم های ارتباطی بی سیم ایفا می کند.
آنتن های میکرواستریپ با استفاده از تکنیک ساخت معمولی میکرواستریپ در ساخت و ساز بسیار ساده هستند آنتن پچ Microstrip از یک پچ تابشی از یک طرف یک بستر دی الکتریک (FR4) تشکیل شده است که دارای یک صفحه زمینی (مس) در طرف دیگر است ، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1: هندسه فیزیکی آنتن میکرواستریپ

شکل 2: الگوی تابش معمولی آنتن میکرواستریپ

پچ به طور کلی از ماده ای رسانا مانند مس یا طلا تشکیل شده است و می تواند هر شکل ممکن مانند بیضوی مثلثی دایره ای مستطیل شکل یا برخی از شکل های رایج دیگر را به خود بگیرد پچ تابشی و خطوط خوراک معمولاً روی بستر دی الکتریک بصورت عکس گرفته می شوند.

آنتنهای میکرواستریپ پچ در درجه اول به دلیل وجود میدانهای بین لبه پچ و هواپیمای زمین تابش می کنند.
برای عملکرد خوب آنتن یک بستر دی الکتریک ضخیم با ثابت بودن دی الکتریک پایین (6 برابر) مطلوب است زیرا از پهنای باند بزرگتر و تابش بهتری برخوردار است اما چنین پیکربندی به اندازه بزرگتر آنتن منجر می شود.

برای طراحی یک آنتن پچ میکرواستریپ فشرده ، باید از بستر با ثابت دی الکتریک بالاتر (12) استفاده شود که منجر به راندمان پایین تر و پهنای باند باریک تر می شود.
از این رو باید سازگاری بین ابعاد آنتن و عملکرد آنتن حاصل شود.
تحریک منبع انرژی الکترومغناطیسی را به پچ هدایت می کند که بارهای منفی را در اطراف نقطه خوراک و بارهای مثبت در قسمت دیگر پچ ایجاد می کند این اختلاف در بارها باعث ایجاد میدان های الکتریکی در آنتن می شود که وظیفه تشعشعات آنتن پچ را دارند.

سه نوع امواج الکترومغناطیسی تابش می شوند.
قسمت اول به فضا تابش می شود که پرتوهای مفید است.
بخش دوم امواج پراکنده است که به فضای بین پچ و هواپیمای زمین بازتاب داده می شود و به انتقال قدرت واقعی کمک می کند.
قسمت آخر موج به دلیل بازتاب کامل در سطح جداسازی دی الکتریک در بستر دی الکتریک به دام می افتد امواج به دام افتاده در بستر معمولاً نامطلوب هستند انواع مختلف آنتن ها شکل و ابعاد مختلفی دارند آنتن های میکرواستریپ را می توان به چهارگروه طبقه بندی کرد:

آنتن های میکرواستریپ پچ
قطرات میکرواستریپ
آنتن های شکاف چاپ شده
آنتن های موج موج مسافرتی میکرواستریپ

قطبی شدن و تابش آنتنهای میکرواستریپ

قطبش یک آنتن توسط موج تابش شده در جهت معین مشخص می شود که با جهت میدان الکتریکی یکسان است. بردار میدان الکتریکی آنی ، یک شکل در زمان را ردیابی می کند این رقم معمولاً بیضی است که موارد خاصی دارد اگر مسیر بردار میدان الکتریکی از یک خط پیروی کند گفته می شود که آنتن به صورت خطی قطبی است اگر بردار میدان الکتریکی در یک دایره بچرخد به آن دایره ای قطبی گفته می شود برای توصیف نسبت محوری پلاریزاسیون استفاده می شود این توسط رابطه زیر تعریف شده است:

دو نوع زیر قطبی سازی خطی وجود دارد:
قطبش عمودی و قطبش افقی.
هنگامی که بردار میدان "E" از موج EM عمود بر زمین است ، گفته می شود که موج EM به صورت عمودی قطبی است.
هنگامی که بردار میدان E از موج EM به موازات زمین باشد ، موج EM گفته می شود که به صورت افقی قطبی است.

الگوی تشعشع یک تصویر گرافیکی از قدرت نسبی میدان است که از آنتن دریافت شده یا دریافت می شود الگوهای تابش آنتن در یک فرکانس یک قطبش و یک برش هواپیما گرفته می شوند الگوها معمولاً به صورت قطبی یا مستطیل با مقیاس استحکام dB ارائه می شوند.
اینها به حداکثر مقدار نمودار 0 دسی بل نرمال می شوند و جهت آنتن دهی مستقیم می شود این بدان معنی است که اگر سطح لوب جانبی از الگوی تابش پایین -13 دسی بل باشد و هدایت آنتن 4 دسی بل می باشد افزایش لوب جانبی -9 دسی بل خواهد بود.

برنامه های آنتن میکرواستریپ

برنامه های مبتنی بر ارتباطات.
آنتن پچ Microstrip در ارتباطات بی سیم چندین کاربرد پیدا می کند.
به عنوان مثال ، ارتباطات ماهواره ای نیاز به الگوهای پرتوهای قطبی و قطبی دارد که می توانند با استفاده از آنتن مربعی یا مدور آنتن ریز محور تحقق یابد.در سیستم های موقعیت یابی ماهواره ای (GPS) از آنتن های میکرواستریپ بصورت حلقوی قطبی استفاده می شود.به دلیل قرار گرفتن در آن ها از نظر اندازه بسیار جمع و جور و بسیار گران هستند.
آنتن های میکرواستریپ همچنین در زمینه های RFID (شناسایی فرکانس رادیویی) ارتباطات موبایل و مراقبت های بهداشتی استفاده می شود. در اصل یک سیستم RFID از یک برچسب و یک خواننده تشکیل شده است.معمولاً از فرکانسهای بین 30 هرتز و 5.8 گیگاهرتز استفاده می کند.

در برنامه telemedicine آنتنهای میکرواستریپ با سرعت 2.45 گیگاهرتز کار می کنند. آنتن های پوشیده از میکرواستریپ برای شبکه بی سیم بدن مناسب هستند.داشتن آنتن 6.7 دسی بل و نسبت جلو به عقب 11.7 دسی بل و طنین انداز در 2.45 گیگاهرتز برای کاربردهای از راه دور مناسب است.استاندارد IEEE 802.16 به WiMax (قابلیت همکاری در سراسر جهان برای دسترسی به مایکروویو) معروف است.با سرعت داده 70 مگابیت در ثانیه می تواند به شعاع 48 کیلومتری (30 مایل) برسد. آنتن های میکرواستریپ می توانند در بیش از یک فرکانس طنین انداز شوند. بنابراین می توان از این تجهیزات در تجهیزات ارتباطی مبتنی بر WiMax استفاده کرد.برخی از برنامه های کاربردی مبتنی بر ارتباطات آنتن های میکرواستریپ پچ عبارتند از: ارتفاع سنج های رادیویی فرمان و کنترل سیستم های کنترل از راه دور و عناصر تغذیه سازهای محیطی در گیرنده های ناوبری ماهواره ای آنتن های پیچیده رادیو موبایل آنتن یکپارچه رادیاتورهای زیست پزشکی وآلارم های مزاحم داپلر و سایر رادارها و ارتباطات ماهواره ای و خدمات پخش مستقیم.

ارتباطات سیار
ارتباطات سیار نیاز به آنتنهای کم هزینه کم دارند. در بعضی از گوشی های موبایل از دیودها یا دتکتورهای مبتنی بر نیمه هادی به عنوان آنتن استفاده می شود.آنها بسیار شبیه به آشکارسازهای عکس دیود p-n هستند اما در فرکانس مایکروویو کار می کنند.بسیاری از اوقات آنتن همه کاره در تلفن های همراه استفاده می شود.انواع مختلفی از آنتنها مانند آنتن معکوس-مسطح آنتن معکوس و قطب مونو وجود دارد.همچنین آنتن قابل جمع شدن معمولاً در گوشی ها استفاده می شود.این تلفن تقریباً به 60 قطعه تقسیم شده است که هر یک شامل صدها یا حتی هزاران جنبه فردی است.ساختار داخلی یک گوشی موبایل در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: جزئیات بسته بندی در داخل یک تلفن همراه با آنتن