מאת: ד”ר ג’ון דאן, וולדימיר ורמיי, AWR Corporation
בני חדד, חברת רדט ציוד ומערכות
אנטנות במערכות תקשורת אלחוטיות נדרשות לרמות ביצועים ולייצוריות גבוהות. מצד אחד, יש לתכנן אנטנה בעלות נמוכה, אמינה וקטנת ממדים. מצד שני, על האנטנה לעמוד בדרישות מחמירות של הגבר, נצילות, סרט רחב ועוד. מערכות תקשורת מתקדמות עושות שימוש בקונפיגורציית MIMO, שבה נעשה שימוש במספר אנטנות לשם שידור ו/או קליטת האותות. בשל כך, האנטנות קרובות פיזית האחת לשנייה, ולפיכך קיים צימוד שבחלקו אינו רצוי. מסיבות אלו, נעשה שימוש הולך וגובר באנטנות משטחיות, שהן זולות באופן יחסי, ועליהן לעמוד בתנאי תכן מחמירים.
כתבה זו מתארת תכן של אנטנת Multi-Slot משטחית (באדיבותה של AVS Microwave), אשר תוכננה על פי דרישות תכן מחמירות, ייצוריות ועלות נמוכה והיא כוללת חריץ על פני המשטח, המוזנת דרך גלבו. הבידוד בין אנטנה זו לאנטנות סמוכות קטנה באופן משמעותי ביחס לאנטנות Slot אחרות. האנטנה תוכננה ועברה סימולציה אלקטרו מגנטית בסביבת (Microwave Office (MWO של AWR עם מנוע AXIEM
איור 1 כיווניות של אנטנה בעלת שני חריצים המוזנת מגלבו פתוחים בקצה.
טכנולוגיה אלקטרו-מגנטית משטחית
ה-AXIEM הוא מנוע לסימולציה אלקטרו מגנטית, המבוסס על שיטת המומנטים. אי לכך, הוא פותר זרמים על משטחים מוליכים המונחים מעל משטחים מוליכים (דיאלקטריים), כמו גם את הזרמים על משטחים אנכיים, כגון קירות ו-Vias. לכן, הוא מתאים לפתרון אנטנות משטחיות, כמו גם לסימולציה של גלבו. ניתן לבצע סימולציה אלקטרו -מגנטית על הגלבו, משום ש-AXIEM מפעיל Mesh על קירות הגלבו. ניתן כמובן, לבצע הרצה מעין זאת במנוע FEM תלת ממדי. עם זאת, ישנם מספר יתרונות של AXIEM בהקשר זה. ראשית, מנועים משטחיים הם בדרך כלל מהירים יותר ממנועים הפותרים בעיות תלת ממדיות. שנית, ב-AXIEM האנטנה ממוקמת בתווך פתוח (כפי שהאנטנה מיושמת בפועל), ולא בקופסא סגורה. מנוע FEM ממקם את האנטנה בקופסא סגורה, ומיישם קירוב לפוטנציאל שעל הקופסא כדי שתהיה “שקופה” ככל הניתן לאנטנה, ולכן נדרשת למציאת תנאי שפה מתאימים, מה שגורר עלות בזמן החישוב. שלישית, AXIEM הוא חלק אינטגרלי מסביבת התכן MWO של AWR, ולפיכך האנטנה שמתוכננת ב-AXIEM הוא חלק אינטגרלי מהמעגל או מהמערכת שתוכננה ב-MWO.
עם זאת, אנטנות משטחיות מהוות אתגר למנועי סימולציה אלקטרו מגנטיים. אחד מן האתגרים נובע מכך ששכבת האדמה חייבת להיות חלק מהסימולציה, כלומר לכלול Mesh, מה שגורם לעלייה במספר המשתנים שיש לפתור ובהתאם לעלות זמן החישוב. ניתן ליישם אדמה “אינסופית” (ולפיכך להימנע מיצירת ה-Mesh), אך אין זה דבר רצוי, בעיקר בתכנון אנטנות. גודלו הפיזי של משטח האדמה משפיע מאד על עקומת הקרינה של האנטנה, ולכן רצוי מאד שיהיה חלק מהפתרון. מנוע ה-AXIEM כולל אפשרויות מתקדמות של פתרון איטרטיבי, כך זמן הסימולציה קצר משמעותית, בשל דרישות זיכרון מופחתות מהמחשב.
איור 2 שתי אנטנות בעלות שני חריצים על אחת.
איור 3 צימוד הדדי בין שני אלמנטים קורנים, עבור שתי אנטנות, בעלות שני חריצים כל אחת.
תכן אנטנה בסיסי
במובן הפשוט ביותר, אנטנת Slot היא אלמנט הקורן באופן דו כיווני. החריץ באנטנה ממוקם במקביל לגלבו, אשר ביניהן ישנה שכבת אדמה. תדר התהודה, שבו אימפדנס הכניסה של החריץ עומד על 50Ω מומר לתדר גבוה יותר, ולכן גורם לאנטנה להיות ארוכה יותר ממחצית אורך הגל, דבר המאפשר התפלגות אמפליטודה ופאזה אופטימליים יותר לחריץ. בניגוד לאנטנות חריץ מסורתיות, המוזנות דרך גלבו, אנטנה זו אינה עושה שימוש במהודים. כאן הגלבו פתוח בקצהו, ולכן אין צורך בקיום התנאים הנדרשים לעמידה באופני ה-fundamental. כל שיש לדרוש הוא עמידה באופן H00 בחתך הצמוד לחריץ.
איור 4 שתי אנטנות בעלות שני חריצים על אחת, המוזנות באמצעות גלבו פתוחים בקצה.
איור 5 צימוד הדדי בין שני אלמנטים קורנים, עבור שתי אנטנות, בעלות שני חריצים כל אחת, המוזנות באמצעות גלבו פתוחים בקצה.
אנטנות MIMO:
במערכות תקשורת מתקדמות נעשה שימוש במספר אנטנות לצורך שיטות שידור ו/או קליטה (MIMO). ישנה חשיבות רבה לבניית אנטנות קטנות ממדים בתכנוני MIMO. עם זאת, קיים סיכון לצימוד בין האנטנות. אנטנות חריץ הן אטרקטיביות לתכנוני MIMO בשל הצימוד הנמוך בין החריצים ובין הגלבו המזינים את האנטנה.
האנטנה תוכננה באמצעות מקטעים של קווי תמסורת המורכבים מחריצים. כאמור לעיל, הגלבו המזין את האנטנה הוא פתוח בקצהו ועובד באופן H00. בשל כך, כיווניות האנטנה עלתה (קרינה דומיננטית בחצי המשטח העליון), וכן גרמה לבידוד גבוה בין אנטנה משטחית צמודה לה. ניתן ליישם אנטנה זו גם למערכי אנטנות.
בתהליך התכנון, בוצעה סימולציה בסביבת AXIEM של AWR לבחינת הצימוד של שתי אנטנות. האנטנה תוכננה על מצע RO4350B 30Mil, על שכבה מתכתית של נחושת (Copper) בגודל של 150×160 mm. ההגבר של האנטנה בעלת שני ה-Slots בתדר 1.8GHz עמדה על 5.6dBi. בתכנון שכלל גם את הגלבו הצמוד לחריצים, עלה ההגבר לכדי 11.2dBi. הצימוד בין שתי האנטנות (|S41|, |S31|) הוא -38dB, מה שמאפשר לשתי האנטנות להיות בלתי תלויות אחת בשנייה באופן מעשי.
חברת AVS Microwave עשתה שימוש בגישה זו לתכן של מערך אנטנות, המורכבות מאנטנות Slot המוזנות בגלבו פתוחים, בתדרים של 2.4-2.5GHz. במסגרת תכנון זה הושג הגבר של 11.71dBi (US Patent:2011/0090128 A1). בנוסף, החברה תכננה אנטנה מסוג זה בעלת ארבעה חריצים, אשר הניב אנטנה בתחומי תדר של 5.07-5.95GHz בעלת הגבר של 12dBi, יחס Front to Back של כ- ואלומה קדמית הגבוהה מ 13dB. האנטנה מתואמת ל-50Ω ובעלת Return Loss של 10dB.
אנטנה זו עושה שימוש במספר גלבו ובמספר חריצים אורכיים להשגת ביצועים משופרים ובעלת עלות ייצור נמוכה. ניתן לעשות שימוש באנטנה זו למערכות בעלות דרישת הגבר נמוך, בינוני וגבוה, והיא מותאמת גם למערכות MIMO בשל הצימוד הנמוך בין שתי אנטנות, הגבוה מ-.
סיכום:
אנטנת Slot המוזנת מגלבו פתוח בקצהו תוכננה ועברה הרצה אלקטרו מגנטית באמצעות AXIEM, כלי הסימולציה האלקטרו מגנטית של AWR, בשל יכולות הדיוק, המהירות, שילוב המנוע בסביבת MWO של AWR, והתאמתו לתכן רכיבים על פני מצע משטחי, כגון אנטנות מודפסות.
