מאת: ד”ר אלברט סבן, מכללת אורט בראודה – כרמיאל. תמצית: תעשיית התקשורת והביו-רפואה נמצאות בגידול מתמיד בעשור האחרון. אנטנות קטנות בעלות פרופיל נמוך הם קריטיות בפיתוח מערכות מסחריות קומפקטיות. אנטנות מודפסות קטנות סובלות מיעילות נמוכה. טכנולוגיית חומרי מטא (meta) משמשת לתכנון אנטנות מודפסות קטנות בעלות יעילות גבוהה. במאמר זה מוצגים שיקולי תכנון, תוצאות ממוחשבות ומדודות של אנטנות מחומרי מטא מודפסות בעלות יעילות גבוהה. אפשר להשתמש באנטנה המוצעת במערכות תקשורת וביטוח רפואי.
מבוא
אנטנות מיקרו-סטריפ משמשות בצורה נרחבת במערכות תקשורת ומאתרים (seekers). לאנטנות מיקרו-סטריפ תכונות אטרקטיביות כגון פרופיל נמוך, גמישות, משקל קל, נפח קטן ועלות ייצור נמוכה. אנטנות מודפסות קומפקטיות מוצגות בהרחבה בספרים ומאמרים בעשור האחרון כמוזכר ב-[1]-[4]. אולם, אנטנות מודפסות קטנות סובלות מיעילות נמוכה. טכנולוגיה של חומרי מטא משמשת לתכנון אנטנות קטנות מודפסות בעלות יעילות גבוהה. מבנים של חומרי מטא הוצגו ב-[5]. תווכים מלאכותיים בעלי permittivity (מקדם דיאלקטרי) שלילי הוצגו ב-[6]. מהודים מחזוריים (periodic resonators) בעלי טבעת-מפוצלת
(ring-) ומבני הצבה מתכתיים יכולים לשמש לתכנון חומרים בעלי מקדם דיאלקטרי וחדירות פחות מ-1 כמוצג ב-[6]-[4]. טכנולוגיה של מוצרי מטא משמשת לפיתוח אנטנות קטנות בעלות יעילות גבוהה. במאמר זה מוצג סוג חדש של אנטנות מחומרי מטא מודפסים בעלי יעילות גבוהה.
אנטנה חדשה עם מהודים עם טבעת-מפוצלת
תחילה אנטנת דיפול מסוג מיקרו-סטריפ תוכננה כדי לספק קיטוב אופקי. הצעד השני היה לתכנן את אותה האנטנה בעזרת מהודים בעלי טבעת-מפוצלת. האנטנה בנויה משתי שכבות. השכבה הראשונה מורכבת ממצע דיאלקטרי RO3035 0.8 ממ’. השכבה השניה מורכבת ממצע דיאלקטרי RT-Duroid 5880 0.8 ממ’. האנטנה בעלת החריץ המודפס מספק קיטוב אנכי. הדיפול המודפס ואנטנת החריץ שני קיטובים ניצבים. הממדים של האנטנה בעלת הקיטוב הכפול המוצגת באיור 1 הם 26x6x0.16 סמ’. האנטנה תוכננה בעזרת תוכנת Agilent ADS. הרוחב והאורך של מתאמי העכבה (stubs) יוטבו כדי לקבל את תוצאות היג”ע (VSWR) הטובים ביותר בכניסת האנטנה. האורך של מתאם העכבה L הוא 10 ממ’. המספר והמיקום של המתאמים המוצמדים קובעים את ערך הדה הקיטוב. ערך הדה קיטוב יכול להשתנות בין 0dB עד 20dB לפי המיקום ומספר המתאמים המוצמדים השונים. האורך והרוחב של המתאמים המוצמדים באיור 1 הם 12 ממ’ על 10 ממ’. מספר המתאמים המוצמדים ניתן למזעור עד בערך ארבעה. עצמת השדה של האנטנה הדו קיטובית (cross polarized) ניתנת לכוונון על-ידי שינוי מיקום נקודת ההזנה של החריץ. יש התאמה טובה בין התוצאות המדודות והמחושבות. רוחב-הפס של האנטנה הוא כ-10% בשביל יג”ע העולה על 2:1. רוחב אלומת האנטנה הוא כ-100 מעלות. שבח האנטנה הוא כ-2dBi. הפרמטרים S11 המחושבים מוצגים באיור 2. איור 3 מציג את פרמטרי האנטנה המדודים.
רוחב-הפס של האנטנה הוא כ-10% בשביל יג”ע מעל 2:1. רוחב אלומת האנטנה הוא כ-1000.
האנטנה בעלת המהודים עם טבעות מפוצלות (Spring Ring Resonators – SRR) מוצגת באיור 4.
רוחב הטבעת הוא 1.4 מ”מ, המרווח בין הטבעות הוא 1.4 מ”מ. תדר התהודה של האנטנה בעלת המט”מ עם SRR הוא 400 מגה-הרץ, ב-10% נמוך יותר מתדר התהודה של האנטנה ללא מהודים עם טבעות מפוצלות. פרמטרי ה-S11 המחושבים מוצגים באיור 5.
האנטנה המוצגת באיור 4 שונתה כמוצג באיור 6. פרמטרי ה-S11 המחושבים מוצגים באיור 7. לאנטנה לאחר השינוי יש שני תדרי תהודה. תדר התהודה הראשון הוא 370 מגה-הרץ והוא נמוך ב-20% מאשר תדר התהודה של האנטנה ללא מהודים.
פסי מתכת הוספו לאנטנה עם ה-SRR כמוצג באיור 8. הפרמטר S11 המחושב של האנטנה עם פסי המתכת מוצג באיור 9. רוחב-הפס של האנטנה הוא כ-50% עבור יג”ע מעל 3:1. עקומת הקרינה המחושבת מוצגת באיור 10. עקומת הקרינה המחושבת 3D מוצגת באיור 11.
הכיווניות והשבח של אנטנה בעלת SRR הוא כ-5dBi כמוצג באיור 12. הכיווניות של אנטנה דומה ללא SRR היא כ-2dBi.
רשת ההזנה של האנטנה המוצגת באיור 8 תוכננה כדי להשיג יג”ע מעל 2:1 בתחום התדרים של 250 מגה-הרץ עד 440 מגה-הרץ.
תכנון מספר מספר המתאמים המוצמדים והמרחק בין המתאמים יכולים לשמש לכוונון תדר התהודה של האנטנה. לאנטנה לבעלת שני מתאמים יש שני תדרי תהודה. תדר התהודה הראשון הוא 370 מגה-הרץ והשני הוא 420 מגה-הרץ. אנטנה בעלת SRR ושני מתאמים מוצמדים מוצגת באיור 13.
הפרמטר S11 המחושב עם שני מתאמים מוצמדים מוצג באיור 14. עקומת הקרינה עבור אנטנה בעלת SRR ושני מתאמים מוצמדים מוצגת באיור 15.
סיכום
טכנולוגיית חומרי מטא משמשת לפיתוח אנטנות קטנות בעלות יעילות גבוהה. במאמר זה מוצג סוג חדש של אנטנות מודפסות מחומרי מטא בעלות יעילות גבוהה. רוחב-הפס של האנטנה בעלת SRR ופסי מתכת הוא כ-50% עבור יג”ע מעל 3:1. ייטוב מספר המתאמים המוצמדים והמרחק בין המתאמים המוצמדים יכולים לשמש לכוונון תדר התהודה של האנטנה והמספר של תדרי תהודה. תוצאות ואנטנות נוספות יוצגו במהלך ההרצאה.
סימוכין
[1] J.R. James, P.S Hall and C. Wood, “Microstrip Antenna Theory and
Design”,1981.
[2] A. Sabban and K.C. Gupta, “Characterization of Radiation Loss from Microstrip Discontinuities Using a Multiport Network Modeling Approach”, I.E.E.E Trans. on M.T.T, Vol. 39,No. 4,April 1991,
pp. 705-712.
[3] A. Sabban,” A New Wideband Stacked Microstrip Antenna”, I.E.E.E Antenna and Propagation Symp., Houston, Texas, U.S.A, June 1983.
[4] 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.
[5] W. Rotman “Plasma simulation by artificial dielectrics and parallel-plate media.” IRE Trans. Antennas Propag., vol. 10, pp. 82–95, 1962
[6] J. B. Pendry, A. J. Holden, W. J. Stewart, and I. Youngs “Extremely low
frequency plasmons in metallic mesostructures.” Phys. Rev. Lett., vol. 76,
pp. 4773–4776, 1996
[7] J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, and W. J. Stewart “Magnetism
from conductors and enhanced nonlinear phenomena.” IEEE Trans.
Microwave Theory Tech., vol. 47, pp. 2075-2084, 1999
[8] 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.
[9] R. Marque´s, J. D. Baena, J. Martel, F. Medina, F. Falcone, M. Sorolla, and
F. Martin “Novel small resonant electromagnetic particles for metamaterial
and filter design.” Proc. ICEAA’03, pp. 439–442, Torino, Italy, 2003
[10] 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
[11] J. D. Baena, R. Marque´s, J. Martel, and F. Medina “Experimental results
on metamaterial simulation using SRR-loaded waveguides.” Proc. IEEE-
AP/S Int. Symp. on Antennas and Propagation, pp. 106–109, 2003
[12] 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
[13] R. A. Shelby, D. R. Smith, S. C. Nemat-Nasser, and S. Schultz
“Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed
metamaterial.” Appl. Phys. Lett., vol. 78, pp. 489–491, 2001
[14] Jiang Zhu and G. V. Eleftheriades, “A Compact Transmission-Line
Metamaterial antenna with Extended Bandwidth”, IEEE Antennas
and Wireless Propagation Letters Vol. 8, 2009.
