תכנון מערך אנטנות בגלים מ”מ

התפתחות אנטנות בשנים האחרונות תפסה תאוצה בתחום התקשורת, מכ”מ, התקנים רפואיים והתקני IoT. השימוש ביותר מאנטנה אחת במשדר ו \ או מקלט במערכות תקשורת הולך וגובר, לדוגמא במערכות תקשורת Diversity או MIMO (Multiple Input Multiple Output). מערך אנטנות סורק (Phased Antenna Array) מאפשר ללא הזזה פיזית של האנטנות לכוון מקסימום ואפסים של עקום הקרינה לכיוונים מסוימים. בנוסף לכך, ע”י עיבוד אות מתקדם ניתן לשערך את כיוון הגעה של מספר אותות המשודרים בו זמנית וכו’. ע”י שינוי באמפליטודת העירור של כל אלמנט ניתן לשלוט על רוחב האלומה ואונות הצד של המערך וע”י שינוי בפאזת העירור של כל אלמנט ניתן לשלוט על כיוון האלומה והאפסים. כמובן ישנו שימוש רחב במערכי אנטנות גם בתחום הצבאי, במערכות תקשורת ומכ”מים.

בעבודה הזאת, נראה את השלבים הבסיסיים לתכנון מערך אנטנות 4 X 8 אלמנטים בתחום התדרים 77 GHz – 81 GHz. תחום תדרים זה מוגדר עבור אפליקציות של Automotive, אבל ניתן להשתמש בתחום תדרים זה גם עבור אפליקציות נוספות, לדוגמא חיישנים. כל הסימולציות נעשו ע”י שימוש בתוכנה מסחרית ANSYS HFSS, במישור התדר.

האלמנט הבסיסי הינו מסוג Microstrip Patch E-Type, כפי שניתן לראות מאיור מס’ 1.

איור 1 – אנטנה מסוג Microstrip Patch E-Type

המצע הדיאלקטרי מסוג Rogers 3003 עם מקדם דיאלקטרי 3 וLoss Tangent = 0.0013 -, בעובי של 0.254mm. לצורך פשטות והדגמה, האנטנה מוזנת ע”י מחבר קואקסיאלי עם אימפדנס אופייני של 50 Ω. במציאות, האנטנה מוזנת ע”י VIA עם רשת הזנה מורכבת. המימד הגדול של האלמנט הקורן הינו 1.25mm.

הסיבה לשימוש של האלמנט מסוג E לעומת האלמנט הבסיסי בצורת ריבוע היא הרחבת רוחב הסרט של האנטנה. מפני שיש באנטנה כמה תהודות (האלמנט והחריצים), ע”י בחירה נכונה של מימדים האנטנה, ניתן לקבל שני תהודות מספיק קרובות מבחינת תחום התדר כך שיתקבל רוחב סרט גדול יותר, כפי שניתן לראות מאיור מס’ 2.

איור 2 – מקדם החזרה של אלמנט אנטנה

איור מס’ 2 מציג את מקדם ההחזרה של האנטנה. כפי שניתן לראות, מקבלים רוחב סרט מספיק רחב ברמת תיאום של -10 dB. עקום הקרינה של השבח (dBi) בתדר המרכזי 78.5 GHz עבור האלמנט ניתן לראות באיור מס’ 3.

איור 3 – שבח אלמנט האנטנה בתדר 78.5 GHz

מפני שהקיטוב של האנטנה הינו ליניארי אנכי, לכן עקום Gain Theta דומיננטי. כאשר מתבוננים ב – Gain Theta ניתן לראות שמקסימום של הקרינה לא בכיוון האופק אלא קצת מעל לאופק. זה קורה מפני שבמישור XZ (מישור ההגבהה) האלמנט לא סימטרי. למרות זאת, הסטייה בעקום היא לא משמעותית מדי.
על מנת להבין מה ההשפעה של אלמנט אחד על השני במערך אנטנות, נבצע סימולציה של מערך 3X3, כפי שמוצג באיור מס’ 4.

איור 4 – מערך אנטנות 3X3

איור מס’ 5 מציג את מקדמי ההחזרה של כל אחד מאלמנטים.

איור 6 – מקדמי ההחזרה של כל אלמנט במערך 3X3

ניתן לראות באיור מס’ 5 שבתחום התדרים הרצוי מקדמי ההחזרה מספיק נמוכים. המשמעות לדוגמא של S11 זה מקדם החזרה של פורט 1, כאשר שאר האלמנטים פאסיביים ומתואמים. המצב הזה אינו מדמה את המצב העבודה האמתי של המערך כאשר כל האלמנטים משרדים בו זמנית, מפני שישנה השפעה על מקדם החזרה של פורט 1 בגלל שידור של שאר האלמנטים. לכן נדרש להתייחס ל – S פרמטרים אקטיביים. בהנחה שכל האלמנטים משדרים בהספק שווה ללא סריקה (פאזות זהות), איור מס’ 6 מתאר את מקדמי החזרה אקטיביים.

כפי שרואים באיור מס’ 6, הביצועים של מקדמי החזרה אקטיביים לא מספיק טובים. לכן נדרש לעשות אופטימיזציה של האלמנט על מנת לשפר את הביצועים. בנוסף נדרש לקחת בחשבון שהביצועים של מקדמי החזרה אקטיביים תלויים גם בפאזה של עירור של כל אחד מאלמנטים במצב של סריקה. אם מדובר על מערך גדול, ניתן לעשות תכנון מקורב ואז לשפר במידת הצורך, כאשר מבצעים סימולציה של אלמנט בודד עם תנאי שפה מחזוריים (Master / Slave Boundaries). במקרה הזה, מקבלים מקדם החזרה של אלמנט (זה בעצם מקדם החזרה אקטיבי) עם אינסוף שכנים שמשדרים. בתצורת עבודה כזאת ניתן לראות כיצד משתנה מקדם החזרה במצב של הסריקה.

אחרי האופטימיזציה של האלמנט מקבלים את התוצאה הבאה, עבור סריקה במישור XZ, כפי שמוצג באיור מס’ 7. חשוב גם לבצע סריקות בעוד מישורים נוספים (YZ וחתכים נוספים).

איור 7 – מקדם החזרה עבור אלמנט עם תנאי שפה מחזוריים

המסקנה מאיור מס’ 7 שכעת מקדם ההחזרה השתפר, וניתן להתקדם למערך אנטנות בגודל אמתי. איור מס’ 8 מתאר את המבנה של מערך אנטנות סופי בגודל 4 X 8.

איור 8 – תיאור של מערך אנטנות 4X8

איור מס’ 9 מתאר את עקום הקרינה עבור מערך סופי ללא סריקה (פאזות אפס עבור העירורים)

באיור מס’ 9a ניתן לראות ריכוז אלומה ראשית בכיוון האופק. האלומה במישור XY צרה יותר מאשר במישור XZ מפני שיש יותר אלמנטים במישור זה.

איור 10a מראה את העקום הקרינה במצב סריקה 5 מעלות מעל לאופק ו – 25 מעלות בצידוד

איור 10 – שבח של מערך אנטנות סופי בתדר 78.5 GHz עם סריקה

באיור מס’ 10 ניתן לראות שכאשר ישנו מצב סריקה, בנוסף כמובן לשינוי של Co-Pol ישנו גם שינוי בעקום של X-Pol. מפני שבזוויות סריקה מסוימות עלול השבח ה – X-Pol להיות גבוהה, זה יכול לגרום לירידה של השבח ה – Co-Pol, מה שבדרך כלל לא רצוי.

אדיבות EM Infinity. לפרטים נוספים ניתן לפנות למשרדי החברה.

על המחבר:

ולדימיר וולפין

מר ולדימיר וולפין בעל תואר שני בהנדסת חשמל עם התמחות באלקטרומגנטיות מאוניברסיטת בן גוריון. בעל ניסיון מעל 13 שנים בפיתוח בתחום אנטנות, רכיבי מיקרוגל פאסיביים, אלקטרומגנטיות הביו-רפואית וסימולציות אלקטרומגנטיות. מייסד EM Infinity, החברה המתמחה בתכנון וסימולציות בתחום האלקטרומגנטיות.