ישנם שימושים רבים עבור אנטנות בעלות קיטוב מעגלי, לדוגמא בתקשורת לוויינית. בכתבה הזאת נראה כיצד ניתן לתכנן אנטנה מסוג Microstrip Patch עבור קיטוב מעגלי. ישנן הרבה אפשרויות לייצר קיטוב מעגלי באנטנת Microstrip Patch, לדוגמא חריץ באלכסון, שימוש בשני זנים אורתוגונליים עם הפרש פאזה 90 מעלות, שימוש בשיטה sequential rotation, וכו’. כאן נציג אפשרות לשימוש בחיתוך פינות של האלמנט הקורן. החיסרון באנטנה הזו הוא רוחב הסרט הצר, אך המטרה של הכתבה היא לתאר כיצד לנתח אנטנה בעלת קיטוב מעגלי ולא לתכנן אנטנה עם רוחב סרט רחב.
תכן וסימולציות אלקטרומגנטיות נעשו ע”י שימוש בתוכנה מסחרית Ansys HFSS, במישור התדר, בשיטת FEM (Finite Element Method), כאשר החלוקה של Mesh היא לפי טטראדרים. באיור 1, ניתן לראות את התצורה של האנטנה ממבט מלמעלה ומבט מהצד.
איור 1 – אנטנת Microstrip Patch עבור קיטוב מעגלי
האנטנה מורכבת ממשטח האדמה, מצע דיאלקטרי ואלמנט קורן. המצע הדיאלקטרי באנטנה בעובי של 30mil, עם εr=3.66 ו- Loss Tangent = 0.004. האנטנה מתוכננת עבור תדר העבודה המרכזי של 3 GHz. הממדים של האלמנט הקורן הם 25.5mmX25.5mm. הממדים של משטח האדמה הם 60mmX60mm .עובי משטחי הנחושת 35μm. חיתוך פינות בצורה נכונה באלמנט הקורן מייצר קיטוב מעגלי. האנטנה מתוכננת עבור אימפדנס כניסה Ω 50 ומוזנת ממחבר קואקסיאלי.
מקדם החזרה של האנטנה מופיע באיור 2.
איור 2 – מקדם החזרה
כפי שניתן לראות רוחב סרט של האנטנה 60 MHz לפי S11<-10 dB. באיור 3 מוצג גרף של דיאגרמת Smith. ניתן לראות צורה של לב. התדר 3 GHz נמצא בקודקוד הלב, מה שמצביע על קיטוב מעגלי בתדר הזה. נשים לב, התדר בו מקדם החזרה הנמוך ביותר אינו התדר בו האנטנה בעלת קיטוב מעגלי.
איור 3 – דיאגרמת Smith
באיור 4 מופיעים גרפים בתלת מימד המתייחסים לשבח האנטנה (dBi) בתדר 3 GHz. במקרה של קיטוב מעגלי מושלם, הערך המקסימלי עבור שבח האנטנה בשני הקיטובים Theta ו – Phi יהיו זהים. ניתן לראות שהערכים האלה קרובים זה לזה. כמו כן, מפני ששבח עבור הקיטוב המעגלי הימני דומיננטי יותר משבח עבור הקיטוב המעגלי שמאלי, ניתן להסיק שאנטנה בעלת קיטוב מעגלי ימני. במצב האידיאלי של קיטוב מעגלי מושלם, השבח RHCP יהיה גבוהה ב – 3 dB יחסית לשבח עבור רכיבי Theta ו- Phi . במקרה שלנו ניתן לראות שישנה תוספת כ – 3 dB.
איור 4 – עקומי שבח 3D בתדר 3 GHz
איורים 5 ו – 6 מציגים גרפים עבור חתכי צידוד (azimuth) והגבהה (elevation) של שבח האנטנה בתדר 3 GHz.
איור 5 – עקומי שבח 2D בתדר 3 GHz, חתך צידוד
איור 6 – עקומי שבח 2D בתדר 3 GHz, חתך הגבהה
נשים לב, שעבור זווית Theta=90° בחתך הגבהה ועבור זווית Phi=0° מקבלים אותו ערך של שבח, מפני שזה אותו כיוון במרחב.
על מנת לבחון את טיב הקיטוב המעגלי של האנטנה, נשרטט גרפים של Axial Ratio עבור חתכי צידוד והגבהה, כפי שמופיעים באיורים 7 ו – 8.
איור 7 – גרף של Axial Ratio בתדר 3 GHz, חתך צידוד
איור 8 – גרף של Axial Ratio בתדר3 GHz , חתך הגבהה
כאשר מתכננים אנטנה בעלת קיטוב מעגלי, המדד Axial Ratioמתאר עיוות של הקיטוב המעגלי. באנטנה בעלת קיטוב מעגלי, מטרתנו היא ליצור קיטוב מעגלי מושלם, Axial Ratio = 1 = 0 dB. נהוג להגדיר Axial Ratio בנקודות 3dB כרוחב הסרט במובן של קיטוב מעגלי. ע”י שימוש בתוכנת סימולציה ניתן לבדוק שרוחב הסרט במובן של קיטוב מעגלי באנטנה המוצגת בכתבה הזאת נמוך יותר מרוחב הסרט במובן של S11, כפי שניתן לראות באיור 9.
איור 9 – גרף של Axial Ratio כתלות בתדר עבור Theta=90° ו –Phi=0°
מקורות:
[1] C.A. Balanis, “Antenna Theory – Analysis and Design“, Wiley, 3rd Ed., 2005.
[2] A. Bhattacharyya and L. Shafai, “A Wider Band Microstrip Antenna for Circular Polarization,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 36, no. 2, 1988.
[3] Q. Chen, J. Li, G. Yang, B. Cao and Z. Zhang, “A Polarization-Reconfigurable High-Gain Microstrip Antenna,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 67, no. 5, 2019.
הכתבה באדיבות Electromagnetics Infinity. לפרטים נוספים ניתן לפנות לנציגות של 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 הנותנת שירותי תכן ופיתוח מערכות RF ואנטנות חכמות ומשמשת כנציגה של חברתAnsys , החברה מוכרת רשיונות תוכנה ונותנת תמיכה ללקוחות.
איתמר מדר
מר איתמר מדר מהנדס חשמל ואלקטרוניקה עם התמחות ב – RF ואנטנות. ראש צוות פיתוח אנטנות בחברת Electromagnetics Infinity ומדריך קורסים של תוכנת סימולציה Ansys HFSS.
