לאחרונה, הוקדשה כמות ניכרת של מחקרים לפיתוח אנטנת Ultra Wideband (UWB) עבור שימושים שונים, כגון: מערכות בהעברת נתונים בקצבים גבוהים, התקני זיהוי תדרי רדיו, רשתות חיישנים, מכ”ם וכו’. אנטנות ה-UWB של מערכות כאלה נדרשות גם עבור מאפיינים בגודל קטן ורחב פס. בכתבה זו נראה מספר אנטנות מונופול רחבות סרט. תכן האנטנות נעשה ע”י שימוש בכלי הסימולציה Ansys HFSS, במישור התדר, בשיטת חישוב FEM (Finite Element Method).
באיור מס’ 1 ניתן לראות אנטנה מודפסת רחבת סרט מסוג מונופול , המוזנת ע”י שימוש בקו CPW (coplanar waveguide) ומחבר מסחרי קואקסיאלי עם אימפדנס אופייני 50Ω. היתרון באנטנה הזאת שאינה דורשת משטח אדמה הנמצא במאונך לאלמנט הקורן, כפי שישנו באנטנת המונופול הקלאסית. הצורה של האלמנט הקורן משושה עם חור במרכז, על מנת להרחיב את רוחב הסרט של האנטנה. משטח האדמה חתוך בקצוות לצורך שיפור תיאום אימפדנסים. המצע הדיאלקטרי מסוג Isola Astra (R). המימדים של המצע הדיאלקטרי 28mm X 30mm X 0.8mm.
איור מס’ 1 :אנטנה מודפסת רחבת סרט מסוג מונופול
המחבר מתאים לשימוש עד התדר כ – 35 GHz. כפי ניתן לראות מאיור מס’ 2, האופן השני במבנה קואקסיאלי מתפתח בתדר 41 GHz (האופן הראשון TEM, האופן השני TE11).
איור מס’ 2 :דיאגרמת דיספרסיה עבור מחבר קואקסיאלי
איור מס’ 3 מתאר את מקדם ההחזרה של האנטנה. האנטנה מתואמת מתדר 3.5 GHz עבור מקדם החזרה S11<-10 dB. האנטנה הינה מאוד רחבת סרט.
איור מס’ 3 :מקדם החזרה – אנטנה מודפסת רחבת סרט
מסוג מונופול
איור מס’ 4 – שבח [dBi] – חתך אזימוט, אנטנה מודפסת רחבת סרט מסוג מונופול
באיור מס’ 4 מוצגים עקומי הקרינה של שבח האנטנה במישור האזימוט (XY), בשני הקיטובים. מפני שהאנטנה מותקנת לאורך ציר ה – Z, הקיטוב הדומיננטי בתדרים הנמוכים יהיה קיטוב אנכי (GainTheta). בתדר הנמוך 5 GHz, עקום הקרינה במישור האזימוט עבור הקיטוב הדומיננטי הינו כלל כיווני (צבע אדום). בתדרים גבוהים יותר, עקום הקרינה משנה צורה ואינו כלל כיווני. הסיבה לכך, מפני שבתדרים שונים צפיפות הזרם על האנטנה אינה דומה כמו בתדר 5 GHz, כפי שניתן לראות מאיור מס’ 5.
איור מס’ 5 – עוצמת צפיפות הזרם – אנטנה מודפסת רחבת סרט מסוג מונופול
האנטנה הנוספת שמוצגת בכתבה, היא אנטנת מונופול עם אלמנט קורן רחב ומשטח אדמה המותקן מאונך לאלמנט הקורן. באנטנות מונופול, כאשר האלמנט הקורן ממומש כמשטח רחב (מלבן, טרפז, עיגול, וכו’) מקבלים אנטנה רחבת סרט. אימפדנס של הפורט ההזנה 50 Ω. גודל משטח האדמה 150mm X 150mm. המימדים הכוללים של האלמנט הקורן 65mm X 30mm.
באנטנות מהסוג הזה, המטרה לקבל עקום קרינה כלל כיווני במישור האזימוט. על מנת לשפר את תיאום האימפדנסים ובעיקר את עקום הקרינה של האנטנה במישור האזימוט, ניתן לשלב שלושה אלמנטים קורנים לאלמנט אחד, כפי שניתן לראות באיור מס’ 6.
איור מס’ 6 – אנטנה רחבת סרט מסוג מונופול עם משטח אדמה מאונך לאלמנט הקורן
(a) אלמנט קורן אחד (b) שילוב של שלושה אלמנטים קורנים
איור מס’ 7 מציג את מקדם ההחזרה של שתי האנטנות, עם אלמנט אחד ושילוב של שלושה אלמנטים. ניתן לראות, שבתדרים הנמוכים מקבלים תיאום אימפדנסים טוב יותר עבור אנטנה עם שלושב אלמנטים משולבים. האנטנה הנ”ל רחבת סרט, החל מ – 2.5 GHz עבור מקדם החזרה S11<-10 dB.
איור מס’ 7 – מקדם החזרה – אנטנה רחבת סרט מסוג מונופול עם משטח אדמה מאונך לאלמנט הקורן
איור מס’ 8 – שבח [dBi] – 3D, אנטנה רחבת סרט מסוג מונופול עם משטח אדמה מאונך לאלמנט הקורן
באיור מס’ 8 ניתן לראות את עקומי קרינה של שבח בתלת מימד, בתדר 15 GHz, בשני הקיטובים. עבור האנטנה עם אלמנט אחד קורן, הקיטוב הדומיננטי (קיטוב אנכי, GainTheta) יותר צר אלומה בחתך אלווציה והעקום בחתך האזימוט יותר מעוות, לעומת האנטנה עם שלושה אלמנטים קורנים. בנוסף, כאשר משתמשים בשילוב של שלושה אלמנטים, הקיטוב הצולב (cross-pol) נמוך יותר.
איור מס’ 8 מתאר את השבח בחתך אזימוט עבור ארבעה תדרים ושתי אנטנות. ניתן לראות בבירור, שעקום הקרינה יותר כלל כיווני ופחות מעוות במקרה של אנטנה עם שלושה אלמנטים משולבים.
איור מס’ 9– שבח [dBi] – חתך אזימוט, אנטנה רחבת סרט מסוג מונופול עם משטח אדמה מאונך לאלמנט הקורן
מקורות:
[1] E. Antonino-Daviu, M. Sonkki, M. Ferrando-Bataller and E. Salonen “UWB Differentially-Fed Circular Monopole Antenna with Stable Radiation Pattern”, 2017 11th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP)
[2] J. Bae, J. Jeong, Y. Yoon and Y. Kim, “A Compact Monopole Antenna for Bluetooth and UWB Applications”, 2017 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP)
[3] R. Kumar, R. Krishna and N. Kushwaha, “A Fractal Monopole Antenna for UWB Applications”, 2013 IEEE Applied Electromagnetics Conference (AEMC)
הכתבה באדיבות Electromagnetics Infinity LTD. לפרטים נוספים ניתן לפנות לנציגות החברה.
על המחברים:
ולדימיר וולפין
מר ולדימיר וולפין בעל תואר שני בהנדסת חשמל עם התמחות באלקטרומגנטיות מאוניברסיטת בן גוריון. בעל ניסיון מעל 15 שנים בפיתוח בתחום אנטנות, רכיבי מיקרוגל פאסיביים וסימולציות אלקטרומגנטיות. מנכ”ל חברת Electromagnetics Infinity המשמשת כ – Channel Partner של חברת Ansys. החברה מציעה שירותי הנדסה בפיתוח מערכות RF ואנטנות, מכירת רישיונות של תוכנות Ansys ותמיכה בלקוחות.
איתמר מדר
מר איתמר מדר מהנדס חשמל ואלקטרוניקה עם התמחות באנטנות וקרינה. ראש צוות פיתוח אנטנות בחברת Electromagnetics Infinity ומדריך קורסים של תוכנת סימולציה א”מ Ansys HFSS.
