Albert Sabban, IEEE
תמצית – תעשיית התקשורת והביו-רפואה הנה בצמיחה מתמדת בעשור האחרון. אנטנות קטנות, יעילות, בעלות פרופיל נמוך, הן חיוניות בפיתוח מערכות מסחריות קומפקטיות. אנטנות מודפסות קטנות סובלות מיעילות נמוכה. טכנולוגיה של חומרי Meta משמשת לתכנון אנטנות מודפסות קטנות בעלות יעילות גבוהה. במאמר זה מוצגים שיקולי תכנון, תוצאות מחושבות ומדודות של אנטנות מודפסות מחומרי Meta בעלי יעילות גבוהה. ניתן להשתמש באנטנות המוצעות במערכות תקשורת ובמכשור רפואי.
מבוא
אנטנות מיקרוסטריפ נמצאות בשימוש נרחב במערכות תקשורת ומאתרים (seekers). לאנטנות מיקרוסטריפ תכונות בעלות כוח משיכה כגון פרופיל נמוך, גמישות, משקל מועט, נפח קטן ועלות ייצור נמוכה. אנטנות מודפסות קומפקטיות מוצגות היטב בספרים ובמאמרים בעשור האחרון כמתואר ב-[1]-[3]. אולם, אנטנות מודפסות קטנות סובלות מיעילות נמוכה. טכנולוגיה של חומרי Meta משמשת לתכנון אנטנות מודפסות קטנות בעלות יעילות גבוהה. מבנים מחומרי Meta של מוליכי מתכת הוצגו ב-[4]-[6]. תווכים מלאכותיים בעלי פרמיטיביות (permittivity) דיאלקטרית שלילית הוצגו ב-[4]-[6]. מהודים (resonators) בעלי טבעת מפוצלת מחזורית ומבני עמודים (posts) מתכתיים יכולים לשמש לתכנון חומרים בעלי קבוע דיאלקטרי ופרימיאביליות קטנים מ-1 כמוצג ב-[4]-[8]. טכנולוגיית חומרי Meta משמשת לפיתוח אנטנות קטנות בעלות יעילות גבוהה. במאמר זה מוצג סוג חדש של אנטנות מודפסות מחומרי Meta בעלות יעילות גבוהה.
אנטנת Stacked Patch המועמסת במהודי טבעת-מפוצלת (split ring)
ראשית, תוכננה אנטנת מיקרוסטריפ stacked patch . השלב השני היה לתכנן את אותה האנטנה בעזרת מהודי טבעת-מפוצלת. האנטנה מורכבת משתי שכבות. השכבה הראשונה בנויה ממצע דיאלקטרי
1.6 ממ’ בעל קבוע דיאלקטרי של 4. השכבה השנייה מורכבת ממצע דיאלקטרי RT-DUROID 5880 ממ’ בעל קבוע דיאלקטרי של 2.2. ממדי האנטנה מיקרוסטריפ Stacked Patch המוצגת באיור 1 הם 33x20x0.32 ממ’. האנטנה נותחה תוך שימוש בתוכנת ADS של Agilent. רוחב-הפס של האנטנה הוא כ-5% עבור יג”ע העולה על 2.5:1. רוחב האלומה של האנטנה הוא כ-720. שבח האנטנה בו כ-7dBi. הפרמטרים S11 המחושבים מוצגים באיור 2. האנטנה בעלת מהודי טבעת מפוצלת מוצגת באיור 3. לאנטנה זו אותו המבנה כמו האנטנה המוצגת באיור 1. רוחב הטבעת הוא 0.2 ממ’, המרווח בין הטבעות הוא 0.25 ממ’. עשרים ושמונה SRR מותקנים על הגוף הקורן. קיימת התאמה טובה בין התוצאות המדודות והמחושבות.
פרמטרי ה-S11 המחושבים של האנטנה עם SRR מוצגים באיור 4. רוחב הפס של האנטנה הוא כ-5% עבור יג”ע מעל 2.5:1. שבח האנטנה הוא כ-10dBi. עקומת הקרינה המחושבת של האנטנה מוצגת באיור 5. רוחב האלומה של האנטנה הוא כ-700. השבח והכיווניות של אנטנת Stacked Patch עם SRR הוא גבוה ב-2.5dB מאנטנת patch ללא SRR.
אנטנת patch מועמסת עם מהודי טבעת מפוצלת
תוכננה אנטנת Patch בעלת מהודי טבעת מפוצלת. האנטנה מודפסת על מצע דיאלקטרי RT-DUROID 5880 1.6 ממ’ בעל קבוע דיאלקטרי של 2.2. הממדים של האנטנה מיקרוסטריפ Patch המוצגת באיור 6 הם 36x20x0.32 ממ’. רוחב הפס של האנטנה הוא כ-2% עבור יג”ע יותר טוב מ-2:1. רוחב אלומת האנטנה הוא כ-720. שבח האנטנה הוא כ-7dBi. פרמטרי
ה-S-11 המחושבים מוצגים באיור 7. השבח והכיווניות של אנטנת ה-Patch עם SRR הם גבוהים ב-2.5dB לעומת האנטנה ללא SRR. תוצאות ואנטנות נוספות יוצגו במהלך ההרצאה.
סיכום
טכנולוגיית חומר ה-Meta משמשת לפיתוח אנטנות קטנות בעלות יעילות גבוהה. סוג חדש של אנטנות מודפסות בעלות חומרי Meta עם יעילות גבוהה מוצג במאמר זה. השבח והכיווניות של אנטנת ה-Patch עם SRR גבוה ב-2.5dB מאשר האנטנה ללא SRR.
Albert Sabban, IEEE Senior Member, Electrical Engineering Ort Braude College, Karmiel, Israel.
סימוכין
[1] J.R. James, P.S Hall and C. Wood, “Microstrip Antenna Theory and
Design”,1981.
[2] A. Sabban,” A New Wideband Stacked Microstrip Antenna”, I.E.E.E Antenna and Propagation Symp., Houston, Texas, U.S.A, June 1983.
[3] A. Sabban, “Microstrip Antenna Arrays”, Microstrip Antennas, Nasimuddin Nasimuddin (Ed.), ISBN: 978-953-307-247-0, InTech, http://www.intechopen.com/articles/show/title/microstrip-antenna-arrays , pp..361-384, 2011.
[4] A. Sabban, “New Printed Meta Materials Antennas” I.E.E.E Antennas and Propagation conference July 2013, Orlando USA.
[5] R. Marque´s, F. Mesa, J. Martel, and F. Medina “Comparative analysis
of edge and broadside coupled split ring resonators for metamaterial design. Theory and experiment.” IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 51, pp. 2572–2581 ,2003.
[6] R. Marque´s, J. Martel, F. Mesa, and F. Medina “Left-handed-media
simulation and transmission of EM waves in subwavelength split-ring-
resonator-loaded metallic waveguides.” Phys. Rev. Lett., vol. 89, paper
183901, 2002.
[7] R. Marque´s, J. Martel, F. Mesa, and F. Medina “A new 2-D isotropic
left- handed metamaterial design: theory and experiment.” Microwave
Opt. Tech. Lett. vol. 35, pp. 405–408, 2002.
[8] Jiang Zhu and G. V. Eleftheriades, “A Compact Transmission-Line
Metamaterial antenna with Extended Bandwidth”,IEEE Antennas
and Wireless Propagation Letters Vol. 8, 2009.
