ניתוח ההתפתחויות בחומרים לייצור אנטנות

מאת: Art Aguayo, Rogers Corp

חומרים מרובדים משופרים מספקים את הדרישות הפיזיות והחשמליות שצריכים המתכננים של אנטנות מודפסות למערכות תקשורת אלחוטית מודרניות

אנטנות עתירות ביצועים הן קריטיות לביצועים של מערכות תקשורת אלחוטית, קבועות וניידות. בגלל דרישות המערכת המתפתחות, האנטנות המודפסות האלה חייבות להיות בעלות הפסד נמוך ולספק שבח גבוה בתדרי מיקרוגל. בחירת החומרים של המעגל המודפס קריטית לקבלת מדגם אפקטיבי של האנטנה, אבל אפשר לפשט אותה על ידי כך שמכירים טוב יותר את החומרים המרובדים הקיימים שתוכננו לאנטנות ומבינים טוב יותר את הפרמטרים החשובים של החומרים המשפיעים על ביצועי האנטנה.
אפשר לייצר אנטנות פרקטיות בכמה אופנים שונים, ואנטנות מודפסות  שטוחות בדרך כלל בונים באמצעות מעגלים ומבני מעגלים מסוג מיקרוסטריפ או סטריפליין (איור 1). אנטנות יכולות להיות בתצורה חד צדדית, דו צדדית ורב שכבתית. אנטנות מודפסות חד צדדיות מורכבות ממבודד דיאלקטרי עם מעגלים הצרובים משכבה מוליכה מנחושת. לאנטנה מודפסת דו צדדית יש שתי שכבות מוליכות מנחושת בשני הצדדים של המבודד, המאפשרות ליצור שתי מערכות של קווי תמסורת. שתי השכבות המוליכות בדרך כלל מחוברות מבחינה חשמלית באמצעות חורים עוברים מצופים (PTH) בשכבת המבודד. באנטנה רב שכבתית הרעיון הדו צדדי מורחב לשלוש או יותר שכבות מוליכות ושכבות מרובות של מבודדים דיאלקטריים, כשהשכבות המוליכות המרובות מחוברות מבחינה חשמלית באמצעות PTH. מערכי אנטנות כוללים הרבה רכיבים, כשכל רכיב מונע על ידי הזנה משלו. שינוי היסט המופע בין רכיבים מאפשר ניהוג אלקטרוני של האנטנה מבלי להזיז את האנטנה פיזית. נקודות הזנת האות במדגמים השונים נבחרות בדרך כלל בנקודה לאורך קווי התמסורת של המעגל הצרוב המספקת התאמה קרובה לעכבה האופיינית של המערכת, בדרך כלל 50 אוהם במערכות תדרים גבוהים.
חומרי המצע המרובדים המשמשים לייצור חומרים למעגלים מודפסים מתאפיינים במספר פרמטרים שונים של ביצועים, ביניהם קבוע דיאלקטרי, גורם בזבוז, מקדם התפשטות תרמית (CTE) ומוליכות תרמית. הקבוע הדיאלקטרי של חומר מתאר את יכולתו כמבודד, או היכולת לקטב ולהחזיק מטען. לדוגמה, הקבוע הדיאלקטרי של ריק הוא יחידה או אחד. אבל היות שאי אפשר להחזיק את העקבות של המעגלים במקומם בריק, לחומרים דיאלקטריים פרקטיים, שנוצרים מחומרים כגון שרפים תרמוסטיים –PTFE (טפלון) יש תמיד קבועים דיאלקטריים הגדולים מאחד. הקבוע הדיאלקטרי של חומר מתייחס תמיד לערך של ואקום, הפרמטר של החומרים הפרקטיים למעגלים מודפסים נקרא הקבוע הדיאלקטרי היחסי (εr). הערך של הקבוע הדיאלקטרי היחסי של חומרים המתוכננים עבור אנטנות הוא בדרך כלל בתחום 2.2 עד 10.3, כנמדד בציר-Z (דרך העובי של החומר). חומרים עם ערך נמוך יותר של פרמיטיביות הם מבודדים טובים בשביל אותות בתדרים נמוכים יותר שמצריכים בידוד רב במעגלים צפופים, כגון מכשירי תקשורת ניידת או במדגמים של מעגלים רב שכבתיים. חומרים עם קבוע דיאלקטרי יחסי גבוה יותר מציעים יכולת גדולה יותר לאחסן מטען וליצור שדות אלקטרומגנטיים (א”מ) גדולים יותר בכמה מדגמי אנטנות, אבל עם בידוד מוגבל בין המוליכים.
אבל, לא רק הערך של הקבוע הדיאלקטרי היחסי חשוב. העקביות של הערך הזה על פני לוח מרובד היא קריטית באותה מידה לתכנון אפקטיבי של האנטנה, בייחוד במערכים גדולים פיזית המצריכים יותר שטח פנים של הלוח המרובד. באנטנות תדרים גבוהים המבוססות על מעגלי סטריפליין או מיקרוסטריפ משתמשים בדרך כלל במבנים מישוריים, כמו מהודים (רזונטורים), כדי להשיג תהודה בתדר פעולה רצוי, כגון 6.5 גה”צ ב-WiMAX. משום שהמבנים האלה מבוססים על אורכי הגל הפיזיים של התדר הנחוץ בהתבסס על חומר עם קבוע דיאלקטרי יחסי נתון, כגון 3.0, שוני בקבוע הדיאלקטרי על פני האורך והרוחב של חומר מרובד יכול לגרום לשוני בתדר הפעולה הרצוי של האנטנה. בפשטות, שוני של רק 5 אחוז בקבוע הדיאלקטרי יכול לגרום לשוני של עד 60 מה”צ באנטנת WiMAX שתוכננה לתדר מרכזי של 2.50 גה”צ (30 אחוז מתחום התדרים המוקצה של 194 מה”צ). כמובן, חומרים מרובדים עם הסבולת הקטנה ביותר האפשרית של הקבוע הדיאלקטרי היחסי מספקים לאנטנות מודפסות את ביצועי התדרים שהכי ניתנים לחיזוי ולחזרה.
כדוגמה לחומר מרובד פרקטי שתוכנן ליישומי אנטנות, החומרים מסידרת RO3200 הם חומרים מרובדים עם מילוי קראמי המחוזקים בסיבי זכוכית ארוגים לשם יציבות מבנית (איור 2). למרות שנועדו ליישומים זולים, כמו אנטנות לנווטנים (GPS) ואנטנות טלאים מיקרוסטריפ, החומרים המרובדים מספקים ביצועי חשמל מצוינים עם יציבות מכאנית עמידה. כדי לכסות מגוון רחב של יישומים, הם קיימים בשלושה קבועים דיאלקטריים שונים – 3.02, 6.15 ו-10.2 – לתמיכה במדגמי אנטנות עד 40 גה”צ. הסבולת של הקבוע הדיאלקטרי היחסי של החומרים האלה משתנה לפי הערך של הקבוע הדיאלקטרי: ±0.04, ±0.15 ו-±0.5, בהתאמה, לחומרים עם קבוע דיאלקטרי 3.02, 6.15 ו-10.2 כשהמדידה ב-10 גה”צ.
הקבוע הדיאלקטרי של חומר מרובד יכול להשתנות על פני האורך והרוחב של מעגל מודפס, אבל גם כפונקציה של הטמפרטורה, פרמטר שנקרא המקדם התרמי של הקבוע הדיאלקטרי. את ההשתנות הזאת קשה לקזז, אבל אפשר למזער אותה על ידי תכנון חומרים עם חומר מילוי שנבחר בקפידה, כגון סיבי זכוכית, כדי לייצב את הקבוע הדיאלקטרי בשינויים של טמפרטורת הפעולה האופפת. לדוגמה, גם בחומרים RO4730 וגם בחומרים RO3730 משתמשים במילוי קראמי (מסוגים שונים) כדי לייצב את הקבוע הדיאלקטרי בשינויים קצרי טווח של הטמפרטורה בהשוואה לחומרי PTFE/ זכוכית ארוגה מסורתיים, ראו איור 3.
על ידי שינוי הצורות והסוגים של חומרי המילוי המשמשים בחומרים הדיאלקטריים שלהם, ספקי חומרים מרובדים גם נענו לצורך של מתכנני אנטנות במצעים יציבים יותר מבחינה פיזית ובתוך כך אפילו הפחיתו את משקל החומרים. לדוגמה, החומרים המרובדים בדרגת אנטנות RO4730 LoPro שהוכנסו לשוק לאחרונה הם חומרי שרף תרמוסטיים עם צפיפות נמוכה וקבוע דיאלקטרי של 3.0 המכילים כדוריות זכוכית מיקרוסקופיות חלולות כחומר המילוי. כדוריות הזכוכית עוזרות להשיג צפיפות נמוכה והתוצאה היא כ-30% מהמשקל של חומרים מרובדים מ-PTFE מחוזק בזכוכית באותו הגודל, וגם תוך הפקת ביצועי ה-PIM (אפנון הדדי פסיבי) המצוינים שמעריכים מתכנני אנטנות שעובדים על מערכות תקשורת עם אפנון דיגיטלי. החומרים המרובדים הפגינו ביצועי PIM טובים יותר מ–154 dBc במבדקי שני צלילים 43 dBm 1,900 מה”צ.
כאשר ביצועי ה- PIMשל האנטנה הם שיקול, חשוב לציין שבחירת מוליך הנחושת חשובה כמו בחירת החומר הדיאלקטרי. בסדרת החומרים מרובדים RO4500, משתמשת ברדידי נחושת שצידם האחורי צופה באמצעות אלקטרוליזה כדי למזער את הפסד השילוב וה-PIM. Rogers משתמשת במשנה פני שטח קנייני כדי לקשור את הרדידים האלה אל החומרים הדיאלקטריים באמצעות הידבקות חזקה, ומעריכה את הביצועים של החומרים המרובדים באמצעות שיטות שני צלילים לבדיקת PIM. החומרים המרובדים בדרגת אנטנות RO4730 LoPro עם הפסד נמוך תואמים להנחיה להגבלת חומרים מסוכנים (RoHS), תהליכים ופרקטיקות ייצור נטולי עופרת המשמשים בדרך כלל עם חומרי מצע קונבנציונליים FR-4.

איור 1. אנטנת הטלאים מיקרוסטריפ הזאת היא דוגמה לאנטנה מודפסת לתדרים גבוהים בשביל יישומי תקשורת אלחוטית

הטיפול בהספק
שיקול חשוב עבור מתכנני אנטנות נוגע ליכולת הטיפול בהספק של חומר מרובד במצב שידור. בעוד שמצב קליטה כרוך רק באותות ברמה נמוכה, רמות גבוהות מספיק של הספק שידור יכולות לגרום לשינויים בביצועים החשמליים [1]. למרות שיכולת הטיפול בהספק של אנטנה מודפסת בדרך כלל מוגבלת על ידי הרוחב של קווי התמסורת המוליכים והריווח של משטחי ההארקה, פרמטר חשוב אחר של החומר המרובד, גורם הבזבוז, מספק אף הוא תובנה כיצד הפסדי אותות בחומר הדיאלקטרי צפויים להתבטא בעליות טמפרטורה ברמות גבוהות של הספק. גורם הבזבוז, שנקרא גם טנגנס ההפסד של החומר המרובד, הוא היחס בין ההפסד של החומר לקיבולת שלו. על ידי צימוד של רדידים עם טנגנס הפסד נמוך וחלקים, אפשר להפחית את הפסד השילוב הכולל של הזנת RF כפי שאפשר לראות באיור 2 המשווה את החומר בדרגת אנטנות RO3730 עם מוצרי PTFE/ זכוכית ארוגה Dk 3.0 קונבנציונליים.
למרות שכל החומרים המרובדים סובלים מהפסדי בזבוז מסוימים, לחומרים המיועדים לאנטנות עם הספק שידור ברמות גבוהות צריכים להיות הערכים הנמוכים ביותר האפשריים כדי להבטיח יכולת טיפול מספקת בהספק ופחות אנרגיית RF שהופכת לחום. כמובן, יכולת הטיפול בהספק של אנטנה מודפסת לעיתים קרובות לא מוגבלת על ידי החומר המרובד עצמו אלא על ידי חיבורים לאנטנה, כגון הזנת סטריפליין. נקודת החיבור החלשה ביותר באנטנה מודפסת, שהיא בדרך כלל גם הנקודה עם הטמפרטורה הכי נמוכה במדגם, כגון נקודת ההלחמה של ההזנה, היא לעיתים קרובות הנקודה הבעייתית ביותר מבחינת אמינות.
שני פרמטרים חשובים של חומרים מרובדים שקשורים לביצועים של אנטנה מודפסת ברמות הספק גבוהות הם מוליכות תרמית ומקדם ההתפשטות התרמית. המוליכות התרמית היא מדד של כמות החום שעוברת ביחידת שטח של חומר מרובד בעובי של יחידה, כשערכים גבוהים יותר מציינים יכולת טובה יותר של הולכת חום הרחק מקווי התמסורת העשויים נחושת ודרך החומר הדיאלקטרי. מקדם ההתפשטות התרמית (CTE) מתאר את השינויים הפיזיים שמתרחשים בחומר מרובד כפונקציה של שינויים בטמפרטורה. אידיאלית, החלק הדיאלקטרי של חומר מרובד המיועד ליישומי אנטנות עם הספק גבוה יתאים ל-CTE של מוליכי הנחושת, שהוא באופן טיפוסי בסביבות 17 ppm/ºC. למרות ש-CTE מוגדר בכל שלושת הצירים של החומר המרובד, שיקול חשוב באנטנות רב שכבתיות הוא CTE נמוך בציר Z, כדי להבטיח את האמינות של חיבורי PTH.
לדוגמה, החומרים המרובדים RO4500, שזמינים במידות לוח של עד 50 אינטש על 110 אינטש ועם קבועים דיאלקטריים של 3.3 עד 3.5 וסבולות של ±0.08 ב-10 גה”צ, משיגים CTE נמוך בכל שלושת הצירים. בחומר מרובד עם קבוע דיאלקטרי של 3.3, ערכי ה-CTE בצירים X, Y, Z הם 13, 11, 37 ppm/ºC, בהתאמה, בבדיקה בטווח טמפרטורות אופפות של -55°C עד 280ºC. המוליכות התרמית של אותו החומר היא 0.6 W/m/K ב-100ºC.
פרמטר אחר הקשור לטמפרטורה שמעניין מכיני מפרטים של חומרים לייצור אנטנות הוא מקדם הטמפרטורה של הקבוע הדיאלקטרי, המתאר את ההשפעה של שינויי טמפרטורה קצרי טווח על הקבוע הדיאלקטרי של החומר המרובד. בחומרים המרובדים RO4730 LoPro, לדוגמה, מקדם הטמפרטורה של הקבוע הדיאלקטרי הוא בערך 23 PPM/ºC, שמאפשר מידה מסוימת של גמישות בתכנון על פני טווח רחב של טמפרטורות. לחומרים המרובדים גם יש יציבות מימדית טובה יותר מ-0.05 אחוז, המציינת שינויים פיזיים מינימליים של החומר על פני טווחים רחבים של טמפרטורות כשמשתמשים בהם באנטנות מודפסות. כשמשווים חומרים מרובדים, חשוב לציין את תנאי הבדיקה של שני הפרמטרים התרמיים, כולל טווח הטמפרטורות שעל פניו נבדקו ה-CTE בשלושת הצירים.

איור 3. השינוי בקבוע הדיאלקטרי של החומרים RO 4730 LoPro, החומרים RO 3730 ו-PTFE/ זכוכית ארוגה, Dk 3.2.

מידול אנטנות
לאור הזמינות של כלי תכנון מודרניים כמו תוכנות הנדסה בעזרת מחשב (CAE), מתכנני אנטנות יכולים כיום להזין רבים מהפרמטרים של החומרים שהוזכרו לעיל לתוכנה כדי להעריך את ההשפעה של פרמטרים שונים על מדגמים שונים של אנטנת מודפסות בתדרים שונים. בגלל שאנטנות מודפסות מקרינות מטיבן שדה א”מ, רוב המתכננים בוחרים בכלי הדמיה אלקטרומגנטית (א”מ) לשם מידול אנטנות.
עבור מתכנן של אנטנות מודפסות, מדמה א”מ יכול לחזות את אופן הפיזור בעקבות המתכת המוליכים וכמה צימוד יתרחש בין עקבות. כלי התוכנה האלה מבוססים על משוואות השדות של מקסוול, וזמינים כחקר כפול של מבנים מישוריים בשני מימדים (D2), ככלי תלת מימד (D3) מלא או כשילוב (D2.5) של שני סוגי המבנים. כלי הדמיה א”מ משתמשים במגוון של טכנולוגיות כדי לפתור את המשוואות של מקסוול, כולל שיטת המומנטים (MoM) לכלי D2 מישוריים וטכניקות FDTD (הפרש סופי בתחום הזמן) למדמי D3 מלא. תוכנות א”מ זמינות ממספר גדול של ספקים, בתור תוכניות עצמאיות או כערכות משולבות של כלי תוכנה. באופן כללי, שקלול התמורות במדמי א”מ הוא דיוק תמורת זמן העיבוד של המחשב, משום שהפתרון של מטריצות של משוואות השדות שמייצגות אנטנה מודפסת יכול לקחת זמן רב אפילו למחשבים מודרניים עם מעבדים מרובים.
בסופו של דבר, מתכנן של אנטנות מודפסות צריך ליישב סידרה של דרישות כשהוא בוחר חומר מרובד. הדרישות, שיכולות לכלול משקל, עובי, הפסד, יציבות של הקבוע הדיאלקטרי, עלות וגורמים אחרים, יוכתבו על ידי היישום הספציפי. על ידי השוואת הפרמטרים החשובים של חומרים מרובדים שונים כפי שהם מתייחסים לדרישות של האנטנות המודפסות, מתכנני אנטנות יכולים לפשט את תהליך הבחירה ולמצוא את שקלול התמורות הטוב ביותר בין עלות, דרישות מכאניות וביצועים חשמליים ליישום נתון.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת “מאל-סיוון” מקבוצת ניסקו נציגת ROGERS בישראל.