با بهره گرفتن از مدل محفظه نشان داده شد که آنتنهای میکرواستریپ را میتوان با محفظهای پر شده از دی الکتریک همراه با دو دیواره هادی الکتریکی کامل در بالا و پایین و چهار دیواره هادی مغناطیسی کامل جانبی مدل کرد. چهار دیواره جانبی بیانگر چهاردهانه (شیار) باریک هستد که تشعشع از طریق آنها صورت میگیرد. پچ میکرواستریپ با بهره گرفتن از یک چگالی جریان الکتریکی معادل در سطح بالای پچ نشان داده می شود (همچنین یک چگالی جریان در پایین پچ موجود است که در این مدل نیازی به در نظر گرفتن پچ ارائه می شود). چهار شیار جانبی با چگالی جریان الکتریکی معادل و چگالی جریان مغناطیسی معادل نظیر شکل۱-۱۸ می شود که هر یک به صورت زیر است[۷].
۲۳
(۱-۲۵)
(۱-۲۶)
شکل۱-۱۸: چگالی جریان معادل در چهار طرف آنتن پچ به همراه و بدون زمین مسطح[۷].
که Ea و Ha به ترتیب میدانهای الکتریکی و مغناطیسی را در شیارها نشان میدهد.از آنجایی که در آنتنهای میکرواستریپ با نسبت ارتفاع به عرض خیلی کوچک، چگالی جریان در روی پچ خیلی کوچکتر از چگالی جریان در زیر پچ است. این مقدار خیلی جزئی فرض شده و صفر در نظر گرفته می شود. همچنین بحث شد که میدانهای مغناطیسی مماسی در طول دیواره های پچ خیلی کوچک بوده و به طور ایدهآل صفر است. در نتیجه چگالی جریان الکتریکی معادل خیلی کوچک بوده وبه طور ایده آل صفر در نظر گرفته می شود. بنابراین تنها چگالی جریان غیر صفر چگالی جریان مغناطیسی معادل در طول محیط محفظه تابشی در حضور صفحه زمین است که در شکل۱-۱۸-ب نشان داده شده است. وجود صفحه زمین به وسیله تئوری تصویر قابل در نظرگرفتن است که چگالی جریان مغناطیسی را دو برابر می کند از این رو مقدار نهایی چگالی جریان مغناطیسی دو برابرخواهد بود.
۲۴
(۱-۲۷)
نشان داده شد که با بهره گرفتن از مدل خط انتقال میتوان آنتن میکرواستریپ را بوسیله دو شیار تشعشع کننده در راستای طول آنتن هر یک به عرضWو ارتفاع h نشان داد. به طور مشابه میتوان نشان داد که هنگامی که در مجموع چهار شیار برای نمایش آنتن میکرواستریپ به کار میرود، تنها دو شیار بیشترین سهم تشعشع را خواهند داشت ومیدانهای تابشی ناشی از دوشیار دیگر که به اندازه عرض پچ W از یکدیگر فاصله دارند در صفحات اصلی یکدیگر را حذف خواهند کرد. در نتیجه همان دو شیاری که به اندازه طول پچ L از یکدیگر جدا هستند به عنوان شیارهای تشعشع کننده شناخته میشوند. شیارها به وسیله یک خط انتقال صفحه موازی امپدانس پایین به طول L که نقش یک انتقال دهنده عمل می کند، از یکدیگر مجزا هستند. طول خط انتقال تقریبا است که ، طول موج در زیرلایه میباشد. بدین ترتیب میدانها در سطح دو شیار پلاریزاسیون مخالف خواهند داشت. این مطلب در شکلهای۱-۱۷-الف و۱-۱۹ نشان داده شده است. دو شیار یک آرایه دو المانه با فاصله شکل می دهند که در راستای عمود بر صفحه زمین، مولفههای میدان به طور هم فاز با یکدیگر جمع شده و حداکثر تشعشع را عمود بر پچ خواهیم داشت و لذا آنتن برودساید است. با فرض آن که مد غالب در محفظه مد است مولفههای میدان الکتریکی و مغناطیسی به ترتیب زیر ساده میشوند.
(۱-۲۸)
که در آن و است. همانطور که در شکل۱-۱۷-الف مشخص است در راستای طولی، میدان چرخش فاز دارد در حالی که در راستای عرض یکنواخت است. چرخش فاز در راستای طول، برای آنتن جهت مشخصه تشعشعی برودساید ضروری است. با بهره گرفتن از اصل معادل سازی، هر شیار تشعشعی معادل چگالی جریان یک دو قطبی مغناطیسی خواهد. با رجوع به شکل۱-۱۹ چگالیهای جریان مغناطیسی معادل در طول دو شیار، هر یک به عرض W وارتفاعh دارای اندازه یکسان و فاز مشابه هستند در نتیجه این دو شیار، آرایهای از دو المان بامنبع دارای فاز و اندازه یکسان شکل میدهد که به اندازه L از یکدیگر فاصله دارند. از این رو این دو منبع در راستای عمود بر پچ و صفحه زمین با یکدیگر جمع شده و پترن برودساید شکل می دهند. این مطلب در شکل۱-۲۰ نشان داده شده است، جایی
۲۵
که پترن نرمالیزه هر شیار در صفحه به طور مجزا به همراه پترن کل ترسیم شده است.
شکل۱-۱۹: شیارهای تشعشعی در آنتن مایکرواستریپ مستطیلی و چگالیهای جریان مغناطیسی معادل[۷]
چگالیهای جریان معادل برای دو شیار دیگر هر یک به طول Lو ارتفاع h در شکل۱-۲۱ نشان داده شده است. از آنجایی که چگالی جریان هر یک از دیوارهها دارای بزرگی یکسان اما جهت مخالف میباشند، میدانهای تابیده شده از دو شیار در صفحه میدان Hیکدیگر را حذف می کنند. همچنین با توجه به این که که شیارهای روی دیواره های مخالف درجه اختلاف فاز دارند، تشعشع مربوطه در صفحه یکدیگر را حذف می کنند. تشعشع ناشی از این دو شیار درصفحات غیراصلی در مقایسه با دو شیار دیگر کوچک است در نتیجه به آنها شیارهای غیر تشعشعی اطلاق می شود.
شکل ۱- ۲۰ : پترن متداول در صفحات E وH مربوط به هر یک از شیارهای تشعشعی و مجموع هر دوی آنها[۷].
۲۶
شکل۱-۲۱: چگالی جریان روی شیارهای غیر تشعشع کننده در آنتن مایکرواستریپ مستطیلی[۷].
۱-۷ پارامترهای مهم در بررسی عملکرد آنتن های میکرواستریپی
برای بررسی عملکرد یک آنتن، تعریف و بکارگیری چندین پارامتر ضروری است. در عمل پارامترهای مختلفی از جمله پهنای باند فرکانسی، پترن تشعشعی، بهره و امپدانس ورودی آنتن مورد نظر قرار میگیرند.
۱-۷-۱ پهنای باند فرکانسی (امپدانسی)
عبارت است از یک محدوده فرکانسی معینی نسبت به فرکانس میانی آن. این محدوده فرکانسی بدین صورت در نظر گرفته می شود که در آن فرکانسها بطور متوالی، سیستم توان برگشتیِ[۲۱] کمتر از مقدار dB10- و یا نسبت ولتاژموج ایستاVSWR معمولا کمتر از ۲ راداشته باشند. را داشته باشد. این پارامتر می تواند در دو حالت پهنایباند مطلق ([۲۲]ABW) و پهنایباند کسری ([۲۳]FBW) بیان شود. اگر فرکانس لبه بالا و پایین این محدوده را بترتیب با fH و fL نشان دهیم آنگاه خواهیم داشت [۱۸]:
(۱-۲۹) ABW = fH - fL
(۱-۳۰) ۲ × FBW =
در آنتنهای پهنباند برای تعیین پهنای باند از نسبت دو فرکانس لبه بالا و پایین نسبت به هم نیز استفاده می کنند یا به عبارتی:
(۱-۳۱) BW = fH / fL
۲۷
۱-۷-۲ پترن تشعشعی
این پارامتر نشاندهنده مشخصات تشعشعی آنتن (معمولاً در ناحیه خیلی دور[۲۴]) برحسب مختصات فضایی میباشد. در این ناحیه، پترن تشعشعی تقریبا مستقل از فاصله موجود از آنتن عمل مینماید. این پارامتر در واقع مقدار توان تشعشعی را در جهات مختلف نشان میدهد. برحسب اشکال مختلف در حالت سه بعدی که برای این پترن می تواند ارائه شود، سه نوع خاص برای توجیه عملکرد تشعشعی آنتن در راه دور در نظر گرفته می شود که عبارتند از [۷]:
۱) پترن با شکل و اندازه یکسان در همه جهات[۲۵]: این نوع آنتن با این نوع پترن به عنوان آنتن مرجع در اندازه گیریها استفاده می شود. در این حالت توان تشعشعی در تمام جهات یکسان است.
۲) پترن جهتدار[۲۶] : در این حالت، پترن آنتن در یک جهت یا جهات معینی دارای بیشینه توان تشعشعی میباشد. این نوع آنتن برای امور خاصی از جمله تعقیب اهداف متحرک یا در گیرندههای یکجهته استفاده می شود.
۳) پترن همهجهته[۲۷] : در این نوع پترن، مشخصه تشعشعی در یک صفحه معینی (E یا H) غیر جهتدار بوده (همه جهته) و در مقابل، در صفحه عمود بر آن دارای حالت جهت دار میباشد. خاطر نشان میکنیم که در حالت نمایش دو بعدی برای پترن تشعشعی، دو صفحه E و Hدر نظر گرفته میشوند که بترتیب شامل بردارهای میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در ناحیه دور از آنتن میباشند [۷].
۱-۷-۳ سمتگرایی و بهره[۲۸]
سمت گرایی به صورت نسبت بین شدت تشعشع U)) آنتن مورد نظر به شدت تشعشع (U0) آنتنی است که به حالت یک منبع تشعشعی همه جهته عمل مینماید و به صورت زیر نمایش داده می شود: [۷].
(۱-۳۲) D = U/U0
پارامتر بهره (G)، رابطه مستقیم با سمتگرایی داشته و با یک ضریب متساوی با راندمان تشعشعی آنتن (erad ) به یکدیگر مربوط میشوند [۷] یا به عبارتی:
۲۸
(۱-۳۳) G = erad × D
erad راندمان تشعشعی آنتن است که همان بازده کاری آنتن بحساب می آید که می تواند بصورت نسبت بین مقدار توان تشعشعی به مجموع مقادیر توانهای تلفی و تشعشعی در آنتن در نظر گرفته شود و با معیار درصد بیان می شود. با توجه به این تعریف، مقدار این پارامتر عددی پایینتر از ۱۰۰ درصد (یا مقدار نسبت، کمتر از یک) خواهد بود [۱۸].
در آنتنهای پهن باند نسبت بین فرکانس بالا و پایین باند فرکانسی مقادیر بالایی حتی در حدود عدد ۱۰ را بخود میگیرد و همچنین در کل این باند فرکانسی معین شده، باید مشخصات تشعشعی از جمله پترن و بهره، مقادیری نسبتا ثابت داشته باشند. این سه شرط از ملزومات آنتنهای پهن باند به حساب میآیند.
۱-۷-۴ امپدانس ورودی درآنتن میکرواستریپ
در واقع امپدانس ورودی مختلط بوده و شامل یک بخش رزونانس و یک بخش غیر رزونانس (راکتیو ) میباشد. هر دو قسمت حقیقی و موهومی بصورت تابعی از فرکانس تغییر می کنند، تغییرات امپدانس ورودی برحسب فرکانس در شکل ۱-۲۲ نشان داده شده است.
شکل ۱-۲۲: منحنی تغییرات رزیستانس و راکتانس یک آنتن میکرواستریپ برحسب فرکانس [۷].
۲۹
هردو قسمت امپدانس، تابعی از محل قرارگیری نقطهی تغذیه نیز میباشند. به طور ایدهآل منحنیهای رزیستانس و راکتانس تقارنی را حول فرکانس رزونانس از خود نشان می دهند و راکتانس در رزونانس برابر میانگین مقادیر ماکزیمم و مینیمم است. اصولاً مقدار راکتانس درمقایسه با رزیستانس کوچک میباشد، اما وقتی ضخامت زیرلایه زیاد می شود راکتانس قابل صرفنظر نمی باشد و باید در تطبیق محسوب شود [۱۹].
۱-۸ افزایش پهنای باند آنتنهای میکرواستریپ
آنتنهای میکرواستریپ تعدادی خواص مفید دارند، ولی یکی از محدودیتهای جدی آنها پایین بودن پهنای باند آنهاست. پهنای باند یک آنتن عادی میکرواستریپ کمتر از ۱ درصد تا چند درصد برای زیرلایههای با شرط نسبت ضخامت به طول موج کمتر از ۰۲۳/۰و نفوذ پذیری ۱۰ تا ضخامت کمتر از ۰۷/۰ طول موج با نفوذ پذیری ۳/۲ است. پهنای باند برای المانهای متداول آنتن مانند دایپل، آنتن روزنهای و شیپوری از ۱۵ تا ۵۰ درصد است. محققین در ۲۰ سال اخیر مشغول برطرف کردن این محدودیت بوده اند. بیشتر این نوآوری ها بیشتر از یک مود را بکار میبرند، که باعث افزایش اندازه، ارتفاع و حجم گردیده و با تنزل مشخصات دیگر آنتن همراه است. افزایش پهنای باند می تواند با راه های دیگری مثل انتخاب یک روش تغذیه مناسب و یا شبکه تطبیق امپدانسی مناسب می تواند باشد.
پهنای باند آنتن میکرواستریپ از رابطه زیر بدست می آید.
(۱-۳۴)
که در آن Q ضریب کیفیت کل آنتن است و VSWR نسبت موج ساکن که در اثر عدم تطبیق امپدانسی بین خط تغذیه و ساختار تشعشعی ایجاد می شود برابر است با]۲۰[:
فرم در حال بارگذاری ...
