מערכי אנטנות עם רשת הזנה ומערכי אנטנות חכמות

בעשור האחרון, טכנולוגיה אלחוטית גדלה בקצב אדיר. שימוש במערכי אנטנות יכול לשפר בצורה משמעותית את הביצועים של מערכת תקשורת. במאמר זה, נביא מספר דוגמאות של שימוש ותכנון עבור מערכי אנטנות.

בדרך כלל, מערכי אנטנות מתחלקים לשני סוגים:
1. כל האלמנטים (אנטנות במערך) מחוברים לרשת הזנה וישנה הזנה אחת (פורט 1).
2. לכל אלמנט ישנה הזנה נפרדת או מספר אלמנטים מחוברים ע”י רשת הזנה ולכל רשת הזנה ישנה הזנה נפרדת. מערך כזה נקרא מערך אנטנות חכם (Phased Antenna Array, Smart Antenna Array).

כאשר משתמשים במערך אנטנות עם רשת הזנה וכניסה אחת, היתרון לעומת אנטנה אחת, שמקבלים שבח גדול יותר ורוחב אלומה צר יותר (במישור המערך). קיימים סוגים שונים של רשתות הזנה, לדוגמא הזנה מקבילית או טורית, כפי שמופיע באיורים 1 ו-2. כאשר ישנה אנטנה רחבת סרט ונדרש לתכנן מערך עם רשת הזנה, חשוב שהרשת הזנה תהיה גם רחבת סרט, אחרת רוחב הסרט של המערך הכולל יתקלקל ויהיה צר יותר. כמובן בנוסף ישנם מערכי אנטנות ורשתות הזנה מבוססים על מוליכי גלים (waveguides). במקרה של מערך אנטנות עם רשת הזנה וכניסה אחת, המקסימום קרינה יתקבל בכיוון מסוים. אם נדרש שהמקסימום קרינה יהיה בכיוון אחר, נצטרך לסובב פיזית את המערך.  כעת נתייחס למקרה השני, כאשר לכל אלמנט ישנה הזנה נפרדת. עיבוד מרחבי הוא הרעיון המרכזי של אנטנות אדפטיבית או מערכות אנטנות חכמות. למרות שזה אולי נראה כי אנטנות אדפטיבית התגלו לאחרונה, הן בעצם היו בשימוש כבר במלחמת העולם השנייה עם מעצב אלומה (beamformer) הקונבנציונלי Bartlett .
היום בעזרת מעבדי אותות דיגיטליים חזקים ובעלות נמוכה, מערכות אנטנות חכמות קיבלו עניין עצום ברחבי העולם. מערך של אנטנות מספק יתרונות נוספים בתחום

עיבוד אות מרחבי לעומת אנטנה אחת, כאשר בעזרת אלגוריתמים לעיבוד אותות מתקדמים ניתן לבצע עיצוב אלומה (מבחינת אונה ראשית, אונות צד ואפסים של עקום הקרינה), לבצע מעקב אחר היעד, לוקליזציה, גילוי כיוון הגעה של האותות וכו’. שימוש במערך אנטנות כולל שימושים רבים כגון תקשורת אלחוטית, רשתות חיישנים, מכ”ם, ניווט והנדסה ביו-רפואית.
ישנם מקרים בהם מעוניינים לקלוט אות רצוי מכיוון מסויים, אבל בו זמנית ישנו שידור של אות הפרעה בעוצמה חזקה באותו תחום התדרים מכיוון אחר. במקרה הזה, האות הרצוי הנקלט עלול להשתבש. אחד הדרכים להתמודד עם המצב הנ”ל הוא ע”י שימוש במערך אנטנות, כאשר בכל אנטנה ניתן לשלוט בפאזה של העירור (הזרם) בכניסה. במקרה הזה ניתן לבצע גילוי כיוון הגעה של האותות, לזהות מאיזה כיוון מגיע האות הרצוי והאותות הלא רצויים ואז להפנות מקסימום עקום הקרינה (אונה ראשית) בכיוון הרצוי ומינימום עקום הקרינה (אפסים של עקום הקרינה) בכיוונים של האותות הלא רצויים. דוגמא למערך אנטנות “חכם” [2] ניתן לראות באיור 3. התכנון נעשה ע”י שימוש בתוכנת ANSYS HFSS , במישור התדר, בשיטת FEM , כאשר החלוקה של Mesh היא לפי טטראדרים.
המערך מורכב מחמש אנטנות דיפול חצי אורך גל המודפסות על חומר הדיאלקטרי Taconic RF 35, בעובי 1.52mm. הפרמטרים של החומר הדיאלקטרי ו-tan(δ)=0.0018. האנטנה כוללת BALUN מודפס, הזנה מסוג Microtrip. על תיאום אימפדנסים נעשה ע”י שימוש בשנאי רבע אורך גל מודפס. מרחק בין האנטנות הינו 55mm. האנטנות נדרשות לעבוד בתדר המרכזי 2.45GHz עם רוחב סרט מאוד צר, כאשר מקדם החזרה של כל אנטנה יהיה נמוך מ-10dB-. מפני שלכל אנטנה ישנה הזנה נפרדת, לכן ניתן לבצע סריקה אלקטרונית של האלומה במישור ZX.  הגרף של מקדמי החזרה (Return Loss) של כל אנטנה במערך מוצג באיור 4.  מכיוון שהאנטנות לא סימטריות, יחסית למישור XY בגלל ה-BALUN, לכן מקדמי ההחזרה, לדוגמא, עבור אנטנה עליונה ותחתונה לא זהים. בתדר 2.45GHz מקדם ההחזרה נמוך מ-10dB-. כמובן חשוב גם לבדוק את Insertion Loss בין האנטנות.
נניח שאנו מעוניינים לקבל מקסימום של עקום הקרינה בזווית θ0=100° ומינימום קרינה בזוויות θ1=130°  ו-θ2=75°, במישור ZX . כאשר משתמשים באלגוריתם Bartlett with Nulls (האלגוריתם הבסיסי לא מתחשב בהשפעה של צימוד ההדדי בין האנטנות) מקבלים את העקום הקרינה המנורמל של גורם המערך במישור ZX, כפי שמופיע באיור 5.

ניתן לראות שבזווית θ0=100° מקבלים מקסימום קרינה ובזוויות θ1=130° ו-θ2=75° מקבלים אפסים של עקום הקרינה. בחרנו להשתמש במגניטודה של זרמי עירור אחידה והפאזות הנדרשות הינן: 0°, 26.07°, 58.99°, 91.90°, 117.97°.  על מנת לקבל עקום קרינה של המערך נדרש להכפיל (בסקלה ליניארית) את עקום קרינה של גורם המערך בעקום קרינה של אנטנה בודדת (בהנחה שכל אנטנות במערך זהות). במקרה הזה, אנו לא נקבל השפעה של צימוד הדדי בין האנטנות, ולכן נעדיף לבצע את החישוב של עקום הקרינה של המערך, כולל צימוד הדדי בתוכנת ANSYS HFSS. עקום הקרינה מופיע באיור 6.
ניתן לראות שלא מקבלים “אפסים” מספיק עמוקים בעקום הקרינה ולא בדיוק בזוויות שרצינו. כפי שציינו, בתכנון של הפאזות של זרם עבור כל אנטנה לא נלקח בחשבון צימוד הדדי בין האנטנות, ולכן במערך האמתי (שכולל צימוד הדדי) קיבלנו תוצאות שונות. לכן בשלב הזה נדרש לבצע אופטימיזציה של הפאזות, לצורך קבלת תוצאות מספקות (אפסים עמוקים ובזוויות הנכונות). את האופטימיזציה הנ”ל ניתן לבצע בתוכנת ANSYS HFSS כאשר כל פאזה תוגדר כפרמטר (בעצם אנו צריכים 4 פרמטרים, כי מה שחשוב זה הפרש הפאזות ולא הפאזות עצמן, לכן הפאזה של האנטנה הראשונה יכולה להישאר אפס). במקרה הזה לא נדרש לבצע חישוב אלקטרומגנטי, אלא חישוב מסוג Pot-Processing מאוד מהיר, מפני שאם אנו יודעים את עקום קרינה של כל אנטנה בנוכחות האחרות, אז עקום הקרינה של המערך מתקבל ע”י קומבינציה ליניארית של עקומי הקרינה (שילוב של עקום מגניטודה ועקום פאזה) של כל אנטנה, כאשר כל עקום מוכפל במקדם מרוכב המציין את הפאזה של הזרם של אותה אנטנה.

על מנת להבין את ההשפעה של מקדמי החזרה של אנטנה כלשהי במערך במצב כאשר שאר האנטנות במערך מוזנות עם הפאזות של הזרם כפי שחישבנו מקודם, ניתן להסתכל על הגרפים של S פרמטרים אקטיביים.  S פרמטריים אקטיביים תלויים במקדמים של העירור. איור 7 מציג את S פרמטריים אקטיביים במקרה של הפאזות הדרושות לקבל עקום קרינה עם מקסימום בזווית θ0=100° ומינימום בזוויות θ1=130° ו-θ2=75°. עבור מקדמים אחרים, S פרמטריים אקטיביים יראו אחרת. S פרמטריים אקטיביים אלה בעצם מקדמי ההחזרה של כל אנטנה, כאשר האנטנות לידה אקטיביות, ולא פאסיביות עם סיומת 50Ω. מתוך איור 7 ניתן לראות, שנדרש לשפר S פרמטריים אקטיביים עבור שלושת האנטנות.
לסיכום
ניתן לציין שהביצועים של מערך אנטנות תלוי בביצועיים של האנטנה בודדת במערך, מרחק בין האנטנות, כמות האנטנות (ככל שיש יותר אנטנות במערך האלומה תהיה צרה יותר, אפשר לסרוק בהצלחה לזווית רחוקה יותר), עירור של כל אנטנה (ע”י שינוי של מגניטודה משנים את העקום מבחינת רוחב האלומה ואונות הצד וע”י שינוי בפאזה של העירור משנים את מיקום של המקסימום קרינה ואת האפסים).

מקורות:
[1] C.A. Balanis, “Antenna Theory – Analysis and Design”, Wiley, 3rd Ed., 2005.
[2] Z. Nasih, S. Makoria, “Design and Simulation of RF Chain and Algorithms for a Beamformer”, Part of a B.Sc. Degree Final Project, SCE, 2013.

הכתבה באדיבות ANSYS. לפרטים נוספים ניתן לפנות לנציגות המקומית.

על המחברים:
ולדימיר וולפין – בעל תואר שני בהנדסת חשמל עם התמחות באלקטרומגנטיות מאוניברסיטת בן גוריון. בעל ניסיון מעל 12 שנים בפיתוח בתחום אנטנות (מתוכם 7 שנים בתחום של Antenna Placement), רכיבי מיקרוגל פאסיביים, אלקטרומגנטיות הביו-רפואית, וסימולציות אלקטרומגנטיות. מייסד EM Infinity.
שי סייפן-אלטמן – בעל תואר ראשון בהנדסת חשמל מאוניברסיטת בן גוריון. עם ניסיון של מעל 15 שנים בפיתוח. מתמחה בסימולציות אלקטרומגנטיות. מהנדס אפליקציות בחברת ANSYS.