دانلود مقاله طراحی، شبیه سازی و ساخت آنتن کوچک باندگسترده با استفاده از ساختار متامتریال

چکیده

در این مقاله، یک آنتن کوچک مایکرواستریپی با المان حلقوی طراحی،شبیه سازی و ساخته شده است. کوچک سازی با خط انتقال متامتریالی صورت گرفته و آنتن با یک خط مایکرواستریپی تغذیه می شود. شبیه سازی با استفاده از نرم افزار Ansoft HFSS انجام گرفته است. آنتن دارای سایز کلی۴۰×۴۰ با شعاع خارجی ۷ میلی متر است. نتایج مربوط به تلف بازگشتی و پترن های تشعشعی در دو حالت شبیه سازی و ساخت نشان داده و با یکدیگر مقایسه می گردد. نمودارها نشان می دهد تطبیق نسبتا خوبی بین نتایج ساخت و شبیه سازی برقرار است. آنتن برای کار در فرکانس تشدید ۲/۴ گیگا هرتز طراحی شده و در شبیه سازی پهنای باند %۱۲/۷۵ (-۱۰ -dB) برای این آن به دست آمده است.

واژه های کلیدی: آنتن کوچک، خط تغذیه مایکرواستریپ، متامتریال

-۱ مقدمه

آنتن های کوچک در سال های اخیر به عنوان یک مسئله مهم مورد تحقیق قرار گرفته اند. این آنتن ها از لحاظ ابعاد فیزیکی در مقایسه با طول موج میدان الکترومغناطیسی که تشعشع می کنند کوچک هستند .[۱] ساختارهای متامتریال که اولین بار توسط وسلاگو در سال ۱۹۶۷ معرفی شد، مشخصات الکترومغناطیسی ای فراهم می کنند که به صورت طبیعی وجود ندارد. این مشخصات عبارتند از: ضریب شکست منفی، گذردهی الکتریکی منفی و نفوذ پذیری مغناطیسی منفی.[۲]

خطوط انتقال بر پایه متامتریال ابتدا توسط کالوز [۳] معرفی شد که به علت داشتن خاصیت دست چپی و راستی به این مواد خطوط انتقال چپگرد – راستگرد گفته می شود. یکی از انواع این خطوط انتقال، خط انتقال با گذردهی الکتریکی منفی یا ENG TL است که در فرکانس های پایین مقدار موثر منفی و صفر در یک فرکانس خاص دارد[۴] مدار معادل یک سلول ENG TL مارپیچ در شکل (۱) رسم شده است. در این مدل اندوکتانس- های سری و موازی ( ) از فلوی

ضریب کیفیت و پهنای باند از روابط (۱) و (۲) به دست می آیندکه k شماره موج فضای آزاد، S مقدار VSWR و a شعاع کره ایست که ابعاد آنتن را شامل می شود. آنتن هایی که صفحه زمین دارند، کره باید آنتن و تصویر آن را شامل شود. فرکانس رزونانس نیز از رابطه (۳) به دست می آید.[۵]

شکل (۱)مدار معادل سلول ENG TL واحد

(۱)

۱۱۱۱

(۲)

√

(۳)
√

با توجه به فرمول سلول مورد استفاده باید بزرگ تر و کوچک-
تر به منظور افزایش پهنای باند داشته باشد. آنتن برای فرکانس ۲/۴ گیگاهرتز طراحی شده که از جمله کاربردهای این باند فرکانسی سیستم های وایرلس و هوشمند خانگی است.

-۲ طراحی و شبیه سازی آنتن مونوپل کوچک

آنتن مایکرواستریپ حلقوی روی زیرلایه Rogers به ضخامت ۱/۵۲۴ میلی متر و ضریب دی الکتریک ۳/۵۵ طراحی شده است. آنتن با یک خط مایکرواستریپ به طول ۲۴/۱mm و عرض ۳/۴mm و امپدانس مشخصه ۵۰ اهم تغذیه می شود. شعاع داخلی المان حلقوی ۳mm و شعاع خارجی ۷mm میلی متر می باشد. این طرح در شکل (۲) نشان داده شده است. برای کوچک سازی در این آنتن از خط انتقال ENG مارپیچ مطابق شکل (۳) به عرض۵ میلی متر (Wm) و طول ۰/۶ میلی متر (Lm) استفاده شده است.

سایز کلی آنتن به دلیل خط تغذیه مایکرواستریپی ۲۴/۱ میلی متری بزرگ تر و ۴۰×۴۰ میلی متر مربع است. طول خط تغذیه تاثیر کمی روی فرکانس رزونانس آنتن داشته و طول آن با توجه به تطبیق امپدانس مناسب به دست می آید.

جریان روی خطوط مارپیچ نتیجه می شود و خازن موازی بین دو
خط مجاور شکل می گیرد.

Wm

Lm 0.2 mm

شکل:۳ سلول ENG TL مورد استفاده در آنتن کوچک

برای آنتن شبیه سازی شده تلف بازگشتی و بهره آنتن در شکل های (۴) و (۵) رسم شده است. مقدار بهره در فرکانس رزونانس ۱/۸dBi و مقدار تلف بازگشتی -۱۸dB بوده که تطبیق خوبی برقرار شده است.