מי המציא את האנטנה המודפסת DESCHAMPS או MUNSON

הרעיון של אנטנה מודפסת (או אנטנת מיקרוסטריפ) תואר לראשונה על ידי Deschamps and Sichak בשנת 1953 ונרשם כפטנט על ידי Gutton and Baissinot בשנת 1955. האנטנה פורסמה בספרות המקצועית כמוצר מעשי על ידי Munson ו-Howell במקביל בשנים 1972-1974 ומאז זכתה לתהודה רבה ולמגוון שימושים רחב ביותר. בכתבה זו נסקור את ראשיתה של האנטנה הזאת וננסה להבין מדוע רוברט מונסון (1940-2015) נחשב כממציאה העיקרי.

Robert E. Munson 1940-2015

Robert E. Munson 1940-2015

הקדמה
אנטנות מודפסות מהוות מרכיב מהותי במערכות תקשורת צבאיות ואזרחיות בתחומי הרדיו האלחוטי והמיקרו-גלים. אנטנות אלו מיוצרות בטכנולוגיה של מעגלים מודפסים על גבי מצעים פלסטיים דקים. הן מתאימות לשילוב עם מכלולי שידור וקליטה וזולות מאד בייצור. לאנטנות אלו מספר יתרונות בסיסיים על פני אנטנות אחרות כמו שופרים וצלחות והם: משקל ונפח קטנים, פשטות בייצור, שילוב טבעי במעגלים מוכללים והאפשרות לעצב מערכים קונפורמיים על פני משטחים אווירודינמיים. הפוטנציאל היישומי שלהן בא לידי ביטוי במערכות בהן יש חשיבות רבה לנפח ולמשקל כמו מערכות תקשורת ניידות ומוטסות, תחנות לקליטת והעברת מידע דרך לווינים, מערכות ניווט והנחייה של כלי נשק. שלוש מגבלות בסיסיות של אנטנות אלו הן: רוחב פס תדרים מצומצם, יעילות נמוכה במערכים גדולים עקב הפסדים ברשת ההזנה, הספק שידור מוגבל עד עשרות וואט ממוצע בגלל הפסדי בליעה ומוגבל עד מספר קילוואט בשידור דפקים בגלל מתח פריצה בקווי ההזנה.
סקירות היסטוריות מן השנים האחרונות [1]-[4] המתארות את התפתחות האנטנות המודפסות, הן בהיבט של האלמנט הקורן על צורותיו השונות והן בהיבט של מערכי אנטנות, מראות כי התיאורים הראשונים כבר פורסמו בשנות החמישים של המאה העשרים על ידי Deschamps and Sichak ואחר כך Gutton and Baissinot . ניתן גם למצוא פרסומים בשנות ה-60 [7]-[9] אך הפריצה המשמעותית התרחשה בתחילת שנות ה-70 עם מאמריהם רבי ההשפעה של לאחר התהודה הרבה שצברו מאמרים אלו, ובייחוד בשל העובדה ששניהם עבדו בתעשיית החלל (Munson בחברת Ball Aerospace ו-Howell ב-NASA), פותחו אלפים רבים של אנטנות מעשיות לצד שפע רב של פרסומים, פטנטים וספרי עיון [14]-[38].
המאמר הראשון
משנת 1953

הרעיון של אנטנה מודפסת, או קרינה מתוכננת מקו מיקרוסטריפ הועלה לראשונה על ידי שני חוקרים אמריקאים Deschamps & Sichak במהלך יום עיון של חיל האוויר האמריקאי בשנת 1953 [5]. יום העיון נערך בפארק Robert Allerton באילינוי, בהשתתפות קהל מצומצם יחסית. Deschamps הציג הרצאה על Microstrip Microwave Antenna ותאר כיצד קו תמסורת מודפס עם משולש מתכת בקצהו, עשוי להוות מקרן שימושי. מעיון בעמוד הראשון של המאמר רואים ששם המרצה המקורי הוא Georges Deschamps ולידו נוסף בכתב יד השותף למאמר William Sichak. ברוב הספרים וכתבי העט נשמט שמו של Sichak והשם Deschamps מופיע ככותב היחיד. במאמר המקורי מוצגים בבירור גרפים של גלים עומדים, דיאגרמות סמית ועקומות קרינה. ניכר היטב כי המאמר המקורי אינו רק “הפרחת רעיון” אלא הוא מכיל תיעוד הנדסי מפורט על מאמץ הנדסי שלם ועל יצירה מוחשית של אנטנה שלמה ועובדת. הגיאומטריה של המקרן היא בצורת משולש או של סקטור מוצמדים לשופר מישורי נפתח, צורות שכבר אינן מקובלות כיום.

Munson & Howell בשנים 1972-1974
Robert (Bob) Munson מהנדס צעיר שסיים תואר ראשון בהנדסת חשמל באוניברסיטת אילינוי ותואר שני בהנדסת חשמל באוניברסיטת דרום קליפורניה, הצטרף לחברת Ball Aerospace בעיר בולדר, קולוראדו. בתקופה זו התעוררה התעניינות מחודשת באנטנות שטוחות וגמישות עבור יישומים צבאיים ויישומי חלל. מונסון הכיר היטב את הצרכים של חיל האוויר, חיל הים וסוכנות החלל ומאידך השכיל לנצל יכולת טכנולוגית למימוש אנטנות שטוחות על טילים ועל גופים חלליים. בהרצאה היסטורית באוקטובר 1972 [11] ובהמשך במאמר משנת 1974 [13] הוא תאר אלמנט רחב, כרוך סביב גליל, עם נקודות הזנה אחדות. המאמר הכיל גם פירוט הנדסי ראוי כיצד האנטנה נבנתה וגם הוכחה מעשית ליישום הנדרש. מונסון גם הראה כיצד ניתן לשלוט על הפאזה בעזרת דיודות PIN ובכך לממש גם מערכים סוקרים מבוקרים על ידי הפאזה של כל אלמנט. מונסון פירסם כ-30 פטנטים, רובם בתחום האנטנות. נפטר באוגוסט 2015.
בדצמבר 1972 השתתף J. Q. Howell בכנס האנטנות השנתי [IEEE AP-S [11 והרצה שם על אנטנות מודפסות וביחוד תאר את האלמנט הקורן היסודי בצורת “טלאי” Patch על מעגל מודפס. בינואר 1975 פורסם מאמרו הנושא שם זהה בעיתון IEEE AP אך העיתון מציין כי בעת הפרסום המחבר כבר לא היה בחיים. ברשימת מראי המקום ניתן קרדיט ל-Munson על תרומתו למאמר על בסיס תכתובת פרטית עם המחבר. תקציר המאמר באנגלית נקרא כאילו נכתב רק לפני זמן קצר:
Abstract – Microstrip antennas consist of a planar resonant radiating element parallel to, but separated, from a ground plane by a thin dielectric substrate These antennas are very thin and consequently rugged and easy to mount. They may be fed from the back through the ground plane or from the edge by depositing microstrip lines on the dielectric substrate. Several varieties of microstrip antennas are discussed in this paper. Design procedures are given for both linearly and circularly polarized antennas. Measured patterns are presented for antennas from UHF through C band.
ההרצאה הפומבית של Munson קדמה אפוא להרצאה של Howell בחודשיים ימים וחברת Ball Aerospace זכתה להוביל במשך תקופה ארוכה את שטח האנטנות המודפסות כיצרן כמעט בלעדי. מונסון זכה להכרה בינלאומית רחבה כ”אבי האנטנות המודפסות”. באותן שנים גם גדלה מאד הזמינות של מצעים דיאלקטריים גמישים בעלי הפסדים נמוכים (בעיקר יציקות טפלון עם סיבי זכוכית שזורים פנימה). היה כאן אפוא צירוף מוצלח של פתרון הנדסי לדרישה מבצעית ושל טכנולוגיה שהבשילה.

אבני דרך נוספות
שטף הפרסומים לאחר מכן היה גדול במיוחד. האנטנות המודפסות זכו למעמד מיוחד ובמספר ספרי עיון נחשבות לסוג חדש של מקרן (בנוסף למקרן מסוג תיל נושא זרם חשמלי ולמקרן מפתח שעליו קיים מתח חשמלי). שיטות החישוב “המתחרות” היו מודל של קו תמסורת מודפס עם זרם משטחי ומודל המהוד כאשר קצות האלמנט הם חריצים קורנים. אחר כך עברו לפתרונות כוללים self consistent על ידי שיטות מומנטים או שיטות אלמנטים סופיים. למאמרי סקירה מקיפים במיוחד ראו [14]-[17].
קצרה היריעה מלתאר את המגוון העצום של אנטנות מודפסות שהופיעו בספרות ובתעשייה. נזכיר כאן את השיטות הרבות להזנת האלמנט הבודד על ידי קווים מודפסים, מחברים קואכסיאליים וחריצים, את ריבוי השכבות להתמודדות עם בעיית רוחב הסרט ואת הטכניקות הרבות להשגת קיטוב מעגלי. מבין המערכים זכו לתפוצה רחבה: שיטת הבנייה המודולרית (הזנה מקבילית דו ממדית), שיטת הזנה דו קיטובית ושיטות הזנה טוריות.

מראי מקום
סקירות היסטוריות
[1] H. Howe, “Microwave Integrated Circuits – An Historical Perspective”, IEEE Trans. MTT-32, pp. 991-996, Sept. 1984.
[2] J.T. Bernhard, P.E. Mayes, D. Schaubert and R.J. Mailloux, “A Commemoration of Deschamp’s and Sichak’s “Microstrip Microwave Antennas” – 50 years of Development, Divergence and New Directions”, Proceedings of the 2003 Antenna Applications Symposium, Monticello Illinois September 2003.
[3] C. Peixeiro, “Microstrip Patch Antennas – An Historical Perspective of the Development”, Microwave and Optoelectronics Conference, SBMO/IEEE MTT-S 2011.
[4] B.D. Patel, T. Narang, S. Jain, “Microstrip Patch Antenna – A Historical Perspective of the Development”, Conference on Advances in Communications and Control Systems, CAC2S 2013.

המאמרים הראשונים
[5] G. Deschamps and W. Sichak, “Microstrip Microwave Antennas“, Proceedings of the Third Symposium of the USAF Antenna Research and Development Program, October 1953.
[6] H. Gutton and G. Baissinot, “Flat Aerial for Ultra High Frequencies”, French Patent No. 703113, 1955.
[7] L. Lewin, “Radiation from Discontinuities in Stripline”, Proc. IEE, Vol. 107, pp.163-170, 1960.
[8] E. J. Delinger, “Radiation from Microstrip Resonators”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. Vol. MTT-17, no, 4, pp. 235-236, April 1969.
[9] E.V. Byron, “A New Flush-mounted antenna element for Phased Array Application”, in Proc. Phased Array Antenna Symp., pp.187-192, June 1970.
[10] R. E. Munson, “Microstrip Phased Array Antennas“, Proc. Of the Twenty Second Symposium on the USAF Antenna Research and Development Program, October 1972.
[11] J. Q. Howell, “Microstrip Antennas“, in IEEE AP-S Int. Symp. Digest, pp. 177-180. December 1972.
[12] E. Munson, “Conformal Microstrip Antennas and Microstrip Phased Arrays”, IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Vol. AP-22, pp. 74-78, January 1974.
[13] J. Q. Howell, “Microstrip Antennas“, IEEE Trans. On Antennas and Propagat., Vol. AP-23, pp. 90-93, January 1975.

מאמרי סקירה רחבים
[14] Y.T. Lo, D. Salomon and W.F. Richards, “Theory and Experiment on Microstrip Antennas“, IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Vol. AP-27 pp. 137-145, March 1979.
[15] K.R. Carver and J.W. Mink, “Microstrip Antenna Technology”, IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Vol. AP-29, pp. 2-24, January 1981.
[16] R.J. Mailloux, J.F. McIlvenna and N.P. Kernweise, “Microstrip Array Technology”, IEEE Trans. on Antennas and Propagat., Vol. AP-29, pp. 25-39, January 1981.
[17] D.M. Pozar, “Microstrip Antenna Technology”, IEEE Proc. Vol. 80, pp. 79-91, January 1992.

ספרי עיון
[18] J. Bahl and P. Bhartia, Microstrip Antennas, Artech House Dedham, MA, 1980.
[19] J.R. James, P.S. Hall and C. Wood, Microstrip Antennas – Theory and Design, Peter Peregrinus Ltd and IEE, 1981.
[20] J.R. James and P.S. Hall (Editors), Handbook of Microstrip Antennas, Peter Peregrinus, 1989.
[21] P. Bhartia, Millimeter Waves Microstrip and Printed Circuit Antennas, Artech House, 1991.
[22] K. Hirasawa and M. Haneishi, Analysis Design and Measurement of Small and Low Profile Antennas, Artech House, 1992.
[23] D. Pozar and D. Shaubert (Editors), Microstrip Antennas, Wiley and IEEE Press, 1995.
[24] J. F. Zurcher and F.E. Gardiol, Broadband Patch Antennas, Artech House, 1995.
[25] R.A Sainati, CAD of Microstrip Antennas for Wireless Applications, Artech House, 1996.
[26] K.F. Lee (Editor), Advances in Microstrip and Printed Antennas” John Wiley, 1997.
[27] K.C. Gupta and P.S. Hall, Analysis and Design of Integrated Circuit Antenna Modules, John Wiley, 1999.
[28] R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl and A. Ittipiboon, Microstrip Antenna Design Handbook, Artech House, 2001.
[29] K.L. Wong, Planar Antennas for Wireless Communications, John Wiley, 2003.
[30] G. Kumar and K.P. Ray, Broadband Microstrip Antennas, Artech House, 2003.
[31] R. B. Waterhouse and A. Ittipiboon, Microstrip Patch Antennas – Designer’s Guide, Kluwer Academic Publishers, 2003
[32] R. Bancroft, Microstrip and Printed Antenna Design, Noble Publishers, 2004.
[33] Z. N. Chen and M.Y.W Chia, Broadband Planar Antenna Design and Applications, John Wiley, 2006.
[34] L. Josefsson and P. Persson, Conformal Array Antenna Theory and Design, Wiley-IEEE Press, 2006.
[35] R. Waterhouse (Editor) Printed Antennas for Wireless Communications, John Wiley, 2007.
[36] Z.N. Chen (Editor) Antennas for Portable Devices, John Wiley, 2007.
[37] D.S. Hernandez, Multiband Integrated Antennas for 4G Terminals, Artech House, 2008.
[38] D. Guha and Y.M.M. Antar, Microstrip and Printed Antennas – New Trends, Techniques and Applications, J. Wiley 2010.

הקדשה
הכתבה מוקדשת לזכרם של פרופ’ דוד טרבס ז”ל ופרופ’ שמואל שטריקמן ז”ל (1930-2003) ממכון ויצמן למדע, שהיו מן החוקרים הראשונים בישראל אשר עסקו באנטנות מודפסות. עבודותיהם החלוציות שהחלו בשנת 1977, בהשתתפות תלמידי מחקר (יוסי אשכנזי, פיני פרלמוטר, עלי לוין, חיים מצנר, שלמה פנחס, גבי מלמוד, אבי כספי ושחר גוב), וסגל טכני (יעקב ליפקין, דוד ליבוביץ, יוסי שופן, ישראל גונן, מיכאל דמארי, יוסי דרייר ואחרים), הניבו חידושים תיאורטיים ומעשיים רבים בשטח זה.

פרופ' עלי לוין, מכללת אפקה להנדסה, תל אביב

תגובות סגורות