وبلاگ

در حالت دوم بجای زیرلایه از نوع FR4 از زیرلایه­ای با ارتفاع ۵۷/۱h= میلی متر و با ثابت دی الکتریک ۵/۲ و تانژانت تلفات بسیار پایین استفاده شده است تا دو نتیجه مقایسه گردند. نتیجه تلفات برگشتی آن در شکل ۳-۲ مشخص شده است. در نمودار ۳-۱-ب، به نظر می­رسد که محدوده فرکانسی کمتر شده است که نشان دهنده استفاده از زیرلایه ای با ثابت دی الکتریک بیشتر است. چون این دو پارامتر نسبت عکس با یکدیگر دارند.
شکل ۳-۲: نمودار تلفات برگشتی آنتن تک قطبی- شکافدار با شکاف مستطیلی روی زیرلایه با ثابت دی الکتریکی برابر با ۵/۲ و تلفاتی بسیار پایین [۲۹].
۳-۲-۲ ساختار دوم: شکاف L شکل با سه حالت مختلف برای تغذیه

در ساختار دوم از این نوع آنتن، شکل شکاف به حالت L­ شکل تغییر می­یابد و همانطور که در شکل ۳-۳ نشان داده شده، سه موقعیت و شکل مختلف برای خط میکرواستریپ در نظر گرفته شده است. این سه حالت متفاوت عبارتند از: الف) خط تغذیه افقی، ب) خط تغذیه مورب و ج) خط ترکیبی با اتصال خط عمودی و خط مورب به یکدیگر. این آنتن نیز مانند ساختار قبلی روی برد ۵۰ در ۸۰ میلیمتر مربعی از جنس FR4 با همان مشخصات قبلی ساخته شده است. این انتخاب به این دلیل صورت گرفته که بتوان همه ساختارها را با داشتن زیرلایه یکسان و ابعاد برابر مورد مقایسه قرار داد. مقدار پارامتر تلفات برگشتی برای هر سه حالت شکل ۳-۳ در شکل ۳-۴ ارائه شده است. از این نمودار ها مشاهده می­کنیم که وقتی شکاف L شکل بوده و نوع خط میکرواستریپی افقی مستقیم در نظر گرفته می­ شود، تطبیق امپدانسی بسیار خوبی در پهنای باند بیشتری حاصل می­ شود. زیرا دراین حالت، بیشترین تزویج الکترومغناطیسی بین خط میکرواستریپ تغذیه کننده و شکاف تشعشعی انجام می­گیرد. علاوه بر این، به دلیل استفاده از نوع شکاف L شکل، به نظر می­رسد که دو مود رزونانسی پشت سر هم ایجاد می­گردد که نتیجه آن افزایش پهنای باند می­باشد [۲۹].
۵۴
شکل۳-۳: ساختار آنتن شکافدار با شکاف L شکل و سه حالت مختلف برای خط تغذیه میکرواستریپی [۲۹].
۵۵

شکل ۳-۴: پارامتر تلفات برگشتی برای سه حالت مختلف شکل ۳-۳ [۲۹].
حال برای حالتی که شکاف L شکل بوده و نوع تغذیه خط میکرواستریپی افقی مستقیم می­باشد (شکل۳-۳-الف)، زیرلایه را با زیرلایه ای با ثابت دی الکتریک ۵/۲ و تلفات بسیار کمتر تعویض می­کنیم که اثر تغییر برد زیرلایه نیز مورد مطالعه قرار گیرد. نتیجه این حالت در شکل ۳-۵ نمایش داده شده است.
شکل ۳-۵: پارامتر تلفات برگشتی برای شکل ۳-۳- الف با زیرلایه ای با ثابت دی الکتریک ۵/۲ و تلفات ناچیز[۲۹].
اگر دو نمودار شکل ۳-۵ و بخش (الف) نمودار ۳-۴ را مقایسه کنیم، متوجه می­شویم که محدوده فرکانسی به سمت فرکانس بالاتر کمی شیفت پیدا کرده است و همچنین تطبیق امپدانسی نیز در فرکانس های پایین تر تضعیف شده است. این عملکرد به این دلیل ایجاد شده است که ثابت دی الکتریک زیرلایه کاهش یافته است و بنابراین رزونانس اول آنتن بالا کشیده شده است چون فرکانس رزونانس اول به ثابت دی الکتریک تقریبا رابطه معکوس دارد. همچنین چون تلفات پایین آمده، بنابراین ضریب کیفیت نیز بالا آمده و پهنای باند هر رزونانس کمتر شده است که در نتیجه آن همپوشانی بین رزونانس ها کاهش یافته و در مقابل تطبیق امپدانسی تخریب شده است.
۵۶
۳-۲-۳ ساختار سوم: شکاف T شکل با خط تغذیه افقی
در حالت سوم، نوع شکاف به حالت T شکل تغییر می­ کند. که ساختار آن در شکل ۳-۶-الف نمایش داده شده است. همانند مطالعات دو بخش قبلی این بار هم دو نوع زیرلایه با دو ثابت دی الکتریک مختلف در نظر گرفته می شود که نتایج آن­دو در شکل­های ۳-۶-ب و۳-۶-ج ارائه شده است. اگر این دو نتیجه را مقایسه کنیم می­بینیم که پهنای باند در حالت استفاده از ثابت دی الکتریک پایین تر افزایش پیدا کرده است که نتیجه جالبی است. همچنین فرکانس رزونانس اول در این حالت بیشتراست.
شکل ۳-۶: آنتن شکافدار با شکاف T شکل وخط تغذیه افقی: الف) ساختار آنتن. ب) نمودار تلفات برگشتی برای زیرلایه FR4 و ج) نمودار تلفات برگشتی برای زیرلایه با ثابت دی الکتریک ۵/۲ و تلفات پایین[۲۹].
۵۷
۳-۲-۴ ساختار چهارم: دو شکاف L شکل با دو تغذیه ترکیبی عمودی-مورب در کنار یکدیگر
در ساختار آخر از این مجموعه، حالت زوج شکاف تشعشعی در نظر گرفته شده است که ساختار آن در شکل ۳-۷-الف، نمایش داده شده است. دلیل عمده استفاده از این حالت زوج تغذیه­ای یا دو شکاف تشعشعی بطور همزمان این است که بتوان کنترل مناسب بر روی مشخصات تشعشعی آنتن داشت. با توجه به استفاده از دو تغذیه در این آنتن، باید در هنگام مطالعه پارامتر S₁₂ آنرا نیز در نظر داشت. این پارامتر مقدار تاثیرگذاری یا تزویج بین دو تغذیه را نشان می­دهد که نشانه مقدار ایزولاسیون بین دو تغذیه می­باشد که اصولاً باید بالا باشد. نتایج این پارامتر و تلفات برگشتی از ورودی اول و دوم این آنتن در شکل ۳-۷ –ب نشان داده شده است. همانطور که دیده می­ شود پهنای باندی حدود ۵/۲ تا ۴/۶ گیگاهرتز را پوشش داده و ایزولاسیونی به اندازه میانگین حدود ۲۰ الی ۲۵ دسی بل را نیز ارائه کرده است که پاسخ مناسبی به حساب می ­آید. علاوه بر این اگر این نتیجه را با نتایج ساختارهای قبلی مقایسه کنیم می­بینیم که پهنای باند بیشتری را ایجاد کرده است که یکی از ویژگی­های این نوع ساختار است.
شکل ۳-۷: آنتن شکافدار با دو شکاف L شکل و یک زوج خط تغذیه ترکیبی عمودی-مورب [۲۹].
۳-۳ آنتن نوع دوم [۳۰]
آنتن نوع دوم در صنعت موبایل و در واقع گوشی­های همراه کاربرد دارد. این آنتن در سال ۲۰۰۷ میلادی برای اولین بار توسط پروفسور وونگ ارائه شده و مورد مطالعه دقیق قرار گرفت. این کار بعدها مورد ارجاعات بسیاری قرار گرفت. همانطور که ذکر شد برای کاربرد در صنعت گوشی های با ابعاد آنتن ۴۰ در ۱۰۰ میلیمتر مربع انتخاب شده است. هدف اصلی در این تحقیق تحت پوشش قرار دادن باند­های سیستم موبایل از جمله GSM850، GSM900، DCS، PCS، UMTS و WLAN برای ۴/۲ گیگاهرتز می­باشد. ساختار این آنتن در شکل ۳-۸ نشان داده شده است. همانطورکه دیده می­ شود که بخش اصلی آنتن دو شکاف مستطیلی و L شکل می­باشد که روی صفحه زمین آنتن در یک طرف برد آنتن قرار گرفته است که کلاً مساحت ۱۵ در ۴۰ میلیمتر مربعی از بخش بالایی صفحه زمین را به خود اختصاص می­دهد. موقعیت و ابعاد دقیق این شکاف­ها در بخش شکل ۳-۸ –ج ارائه شده است. زیرلایه استفاده شده از جنس FR4 و به ضخامت ۸/۰ میلیمتری می­باشد که درون یک حفاظ پلاستیکی ضخیم ۱ میلیمتری قرار گرفته است. این حفاظ بیشتر برای شبیه سازی حالت قالب گوشی همراه در نظر گرفته شده است. همچنین صفحه زمین یک طرف برد FR4 قرار می­گیرد که بخش اصلی آنتن است.
۵۸
شکل ۳-۸: آنتن ترکیبی تک قطبی-شکافدار مرجع [۳۰]، الف) ساختار آنتن (نمایش از بالا)، ب) ساختار آنتن (نمایش از کنار آنتن) و ج) ابعاد و موقعیت قرارگیری دو شکاف مستطیلی و L شکل روی صفحه زمین آنتن.
ابعاد بهینه شده برای آنتن و شکاف­های تشعشعی در شکل ۳-۸ بطور کامل ارائه شده است. با توجه به این ابعاد، آنتن مورد نظر اندازه ­گیری شده و نتیجه آن با نتیجه شبیه سازی مقایسه شده که در شکل ۳-۹ بطور واضح نشان داده شده است. البته توجه شود که آستانه مورد نظر در این نمودار و کلاً در این تحقیق مقدار سه برای پارامتر VSWR در نظر گرفته شده است. این مقدار تطبیق ضعیفی را نشان می­دهد ولی با توجه به این موضوع که این نوع آنتن­های موبایل بطور ذاتی دارای تطبیق امپدانسی ضعیفی می­باشند، در نتیجه حد آستانه کمی بالاتر انتخاب شده تا بتوان پهنای باند مناسبی را تحت پوشش قرار داد. با توجه به این حد آستانه، مشاهده می­کنیم که یک محدوده فرکانسی باریکی در اطراف فرکانس ۹۰۰ مگاهرتزی و یک محدوده وسیعی از فرکانس ۱۶۷۰ تا ۲۶۷۰ مگاهرتز پوشش داده شده است که بنابراین می ­تواند باندهای مذکور را پوشش دهد. البته مشخص است که اگر حد آستانه را به مقدار ۵/۲ یا حتی ۲ برای پارامتر VSWR کاهش دهیم آنگاه محدوده فرکانسی بسیار کمی پوشش داده خواهد شد که از نشانه­ های ضعف این نوع ساختار می­باشد. در شکل ۳-۹ هماهنگی و تشابه مناسبی بین دو نتیجه شبیه سازی شده و اندازه گیری دیده می­ شود که نشان دهنده دقت در طراحی این آنتن می­­باشد.
۵۹
شکل ۳-۹: نمودار تلفات برگشتی آنتن در شکل ۳-۸ با ابعاد مشخص شده در آن شکل برای حالات اندازه گیری و شبیه سازی[۳۰].
برای مطالعه بیشتر روی این ساختار، اثرات هریک از شکاف­های مستطیلی و L شکل را بصورت مجزا در نظر گرفته و با حالت بهینه شده مقایسه می­گردد. نتیجه این مقایسه در شکل ۳-۱۰ ارائه شده است. از این نمودار نتیجه می­گیریم که شکاف L شکل به دلیل طول زیاد آن و ساختار مناسب آن رزونانس پایین را ایجاد می­ کند و در مقابل شکاف مستطیلی به دلیل طول کوتاه تر و شکل ساده آن باند بالاتر را ایجاد می­ کند. در نتیجه اگر این دو شکاف با ابعاد و موقعیت مناسب و بهینه شده در کنار یکدیگر قرار گیرند آنگاه آنتن نهایی می ­تواند دو باند مذکور را مورد پوشش قرار دهد که نتیجه جالبی به حساب می ­آید.
۶۰
شکل ۳-۱۰: نمودار تلفات برگشتی آنتن شکل ۳-۸ و مقایسه آن با حالاتی که فقط هریک از شکاف ها در یک زمان وجود دارند[۳۰].
۳-۴ آنتن نوع سوم [۳۱]
آنتن نوع سوم، نتیجه مقاله یکی از دانشجویان دانشگاه ارومیه می­باشد که در سال ۲۰۱۰ ارائه شده است. این آنتن باندهای فرکانسی GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/WLAN را تحت پوشش قرار می­دهد. ساختار این آنتن که روی بخش بالایی صفحه زمین برد گوشی تلفن همراه چاپ می­ شود، در شکل ۳-۱۱ نشان داده شده است. ابعاد آنتن ۱۱۶ ×۴۵ میلی­متر مربع می­باشد. زیرلایه استفاده شده از جنس FR4 و به ضخامت ۸/۰ میلیمتری می­باشد که درون یک حفاظ پلاستیکی ضخیم ۱میلیمتری قرار گرفته است. همانطورکه دیده می­ شود بخش اصلی آنتن شامل دو شکاف مستطیلی- شکل انتها بازدر صفحه زمین و دو زائده T شکل در سمت دیگر دی الکتریک می­باشد. این دو شکاف انتها باز به عنوان تشدیدگر ربع طول موج عمل می­ کنند. طول شکاف بزرگتر (شکاف بالایی) ۴۰میلی­متر است (برابر با ۱۲/۰ طول موج در فرکانس ۹۰۰ مگاهرتز در فضای آزاد) که در تحریک مود  باند پایینی نقش دارد و طول شکاف کوچکتر(شکاف پایینی) نیز ۳۱میلی­متر است (برابر با ۱۹/۰ طول موج در فرکانس ۱۸۰۰ مگاهرتز در فضای آزاد)که تحریک مود  باند بالایی را کنترل می­ کند. یک خط میکرواستریپ۵۰ اهم به همراه دو زائده T شکل نیز برای تغذیه سری این دو شکاف در طرف دیگر زیر لایه چاپ شده اند. معیار پهنای باند  در نظر گرفته شده است. آنتن پیشنهادی شبیه سازی شده و نمودار  در شکل ۳-۱۲ نشان داده شده است.
۶۱
شکل ۳-۱۱: ساختار آنتن پیشنهادی نوع سوم [۳۱].
شکل ۳-۱۲: تلفات بازگشتی آنتن در شکل ۳-۱۱ [۳۱].
همان گونه که در این شکل دیده می­ شود هر دو باند بالایی و پایینی با تطبیق امپدانسی خوبی تحریک شده ­اند. پهنای باند باند پایینی برابر ۳۱۹ مگاهرتز (۸۱۷-۱۱۳۸مگاهرتز) و پهنای باند بالایی نیز برابر با ۸۶۶مگاهرتز (۱۶۸۱- ۲۵۴۷مگاهرتز) می­باشد. برای توضیح بیشتر، نحوه عملکرد آنتن در شکل ۳-۱۳برای سه حالت مختلف (بدون زائدهT شکل) نشان داده می­ شود.
۶۲
شکل ۳-۱۳: تلفات بازگشتی در سه حالت مختلف(بدون زائده Tشکل) [۳۱].
شکاف بزرگتر تشدیدی را در باند پایین (۱۰۷۴مگاهرتز) و شکاف کوچکتر تشدیدی را در باند بالایی(۲۱۵۳ مگاهرتز) ایجاد می­ کند. همان طور که مشاهده می­ شود در حالتی که از هر دو شکاف استفاده شود شکاف کوچتر منجر به کاهش فرکانس تشدید شکاف بزرکتر می­ شود. همچنین در باند بالایی علاوه بر کم شدن فرکانس تشدید شکاف کوچکتر، تشدید دیگری نیز رخ می­دهد. این تشدید که کمی بالاتر از فرکانس تشدید اصلی شکاف ایجاد می­ شود ناشی از اتصال کوتاه کاذب در طول شکاف است. چرا که نشان داده شده است که اگر آنتن شکافدار از نزدیکی یکی از لبه هایش بوسیله خط تغذیه میکرواستریپ تغذیه شود وعرض شکاف نیز به طور مناسب انتخاب شود یک ‘اتصال کوتاه مجازی’^[۴۳]در نزدیکی خط میکرواستریپ می ­تواند رخ دهد ]۳۲ .[در حقیقت در یک محل خاص روی شکاف، مولفه مماسی میدان الکتریکی ایجاد شده توسط خط میکرواستریپ روی اسلات میدان الکتریکی تحریک شده توسط جریان­های بازگشتی روی صفحه زمین خط میکرواستریپ را در داخل شکاف حذف می­ کند.
توزیع میدان الکتریکی در دو فرکانس تشدید ۱۶۲۰ و ۲۲۰۰ مگاهرتز در شکل ۳-۱۴ نشان داده شده است. همانطور که دیده می­ شود در فرکانس ۱۶۲۰ مگا هرتز شکاف کوچکتر به صورت ربع طول موج می­ کند. در فرکانس۲۲۰۰ مگا هرتز، در توزیع میدان الکتریکی (ویا توزیع جریان مغناطیسی روی شکاف) یک نول در نزدیکی خط تغذیه میکرواستریپ ایجاد می­ شود. در نتیجه با کم شدن طول موثر آنتن فرکانس تشدید دوم کمی بالاتر از فرکانس تشدید اول رخ می­دهد و بدین ترتیب پهنا افزایش می­یابد. اما همان طور که در شکل۳-۱۲مشاهده می­ شود، پهنای باند پایینی قادر به پوشش باندهای GSM850/900 نیست. برای رفع این مشکل از دو زائده Tشکل استفاده شده است. اینکار باعث افزایش تزویج از خط تغذیه به شکاف­ها می­ شود.
۶۳
شکل۳-۱۴: توزیع میدان الکتریکی در داخل شکاف (بدون زائده Tشکل) در: (الف) فرکانس تشدید اصلی شکاف کوچکتر:۱۶۲۰ مگاهرتز. (ب) فرکانس تشدید ناشی از اتصال کوتاه کاذب : ۲۲۰۰مگاهرتز(نمای پشت آنتن) [۳۱].
شکل ۳-۱۵، چگالی جریان­های سطحی را روی صفحه زمین در باندهای مختلف نشان می­دهد. همانطور که دیده می­ شود جریان­های سطحی کمی روی صفحه زمین تحریک شده است که این مسئله از وابستگی پهنای باند به طول زمین و اثرات آن می­کاهد. این ویژگی یکی از ویژگی­های آنتن­های تک قطبی شکاف دار است.
شکل ۳-۱۵: جریان سطحی روی زمین آنتن در باندهای: (الف). GSM900 (ب) .DCS (ج) PCS[31].
۶۴
نمودار  آنتن برای طول­های مختلف L_g در شکل ۳-۱۶ نشان داده شده است. این نمودار نشان می­دهد که پهنای باند آنتن وابستگی کمی به تقییرات L_g دارد و بنابراین از این آنتن برای گوشی­های تلفن همراه با طول­های مختلف صفحه زمین می­توان استفاده کرد.
شکل ۳-۱۶: نمودار تلفات بازگشتی آنتن برای طول های مختلف صفحه زمین[۳۱].
در شکل ۳-۱۷، تلفات بازگشتی آنتن برای طول های مختلف L_S1 آمده است. مشاهده می­ شود که به دلیل استفاده از تغذیه سری در تحریک دو شکاف، پهنای باند هر دو باند و بویژه باند پایینی تحت تاثیر این تغییرات قرار می­گیرند و تطبیق امپدانسی در باند پایین با افزایش L_S1 خراب تر می­ شود. شکل ۳-۱۸، تلفات بازگشتی آنتن را برای طول های مختلف L_S2 نشان می­دهد. همان طور که انتظار می­رود با افزایش طول شکاف بزرگتر، فرکانس تشدید آن کاهش یافته و باند بالایی بدون تغییر می­ماند.
شکل ۳-۱۷: نمودار تلفات بازگشتی آنتن برای طول های مختلف شکاف پایینی[۳۱].
۶۵
شکل ۳-۱۸: نمودار تلفات بازگشتی آنتن برای طول های مختلف شکاف بالایی[۳۱].
در شکل ۳-۱۹ نیز تلفات بازگشتی آنتن برای عرض های مختلف شکاف کوچکتر (W_S1) به نمایش در آمده است. با تغییر W_S1، زائده­های T شکل نیز همواره در وسط شکاف قرار داده می­شوند تا تزویج به طور متقارن به شکاف انجام گیرد. همچنین طول آنتن تغییری نمی کند (تغییر عرض در راستای فلش نشان داده شده در شکل ۳-۱۱ است). این نمودار نیز نشان دهنده وابستگی تطبیق امپدانس هر دو باند به عرض شکاف کوچکتر به دلیل تغذیه سری شکاف­ها می­باشد. در شکل ۳-۲۰ نیز تلفات بازگشتی آنتن با تغییرات عرض شکاف بزرگتر (W_S2) نشان داده شده است.در این حالت نیز زائده T شکل بالایی همواره در میانه­ی شکاف بزرگتر قرار داده می­ شود تا تزویج به طور متقارن به شکاف انجام شود. پترن این آنتن نیز به دلیل قرار گیری خط تغذیه در وسط ساختار آنتن، پترن به صورت متقارن بوده و پترن آنتن تک قطبی می­باشد.
شکل ۳-۱۹: نمودار تلفات بازگشتی آنتن برای عرض­های مختلف شکاف پایینی[۳۱].