אנטנות Ultra-Wideband (UWB) נמצאות בשימוש נרחב במערכות תקשורת וחישה מודרניות בזכות יכולתן לפעול בתחום תדרים רחב תוך שמירה על ביצועי קרינה טובים. אחת האנטנות הפופולריות בתחום זה היא אנטנת Vivaldi, הניתנת לייצור בטכנולוגיית מעגלים מודפסים. ניתן לתכנן אותה כך שתספק רוחב אלומה רחב או צר, בהתאם לדרישות המפרט.
ידוע באופן כללי שככל שתדר העבודה קטן כך אורך האנטנה (המתייחס לחלק התורם לקרינה) גדל. הסיבה לכך היא שאורך האנטנה נמצא ביחס ישר לאורך הגל, ואורך הגל נמצא ביחס הפוך לתדר. מטרת עבודה זו היא להדגים כיצד ניתן לעבוד בתדר נמוך יותר מבלי להגדיל את אורך האנטנה, וזאת באמצעות שינוי הגיאומטריה של האנטנה בלבד. לצורך כך יודגם התהליך באמצעות תכנון אנטנת Vivaldi.
תכנון האנטנה בוצע בתוכנת HFSS, כאשר הפתרון מבוסס על שיטת האלמנטים הסופיים (FEM) במישור התדר. קיטוב האנטנה הוא ליניארי והיא מתואמת לעכבה של 50 Ω. האנטנה תוכננה על גבי מצע בעובי 0.76 מ"מ, בעל קבוע דיאלקטרי יחסי ומקדם Loss Tangent . האנטנה מוזנת באמצעות קו תמסורת מיקרוסטריפ. באיור 1 ניתן לראות את אנטנת הייחוס (בצבע צהוב – נחושת ובצבע אפור – החומר הדיאלקטרי).
איור 1: אנטנת הייחוס: (א) מבט מלמעלה, (ב) מבט מלמטה
על מנת להקטין את תדר העבודה של האנטנה, השתמשנו בחריצים בשכבת הנחושת. בוצעו אופטימיזציות בתוכנת HFSS באמצעות שינוי מספר החריצים, מיקומם, אורכם ורוחבם. בנוסף, חשוב לשים לב לשבח האנטנה ולנצילותה, שכן החריצים משנים את פילוג צפיפות הזרם באנטנה ולכן משפיעים גם על עקום הקרינה, אשר עלול להתעוות. בעבודה זו, עבור אנטנה עם חריצים, נדרש לשמור על עקום קרינה תקין ללא עיוות משמעותי וללא הנמכה משמעותית של שבח האנטנה בכיוון האלומה הראשית, בתחום התדרים 1.5 GHz ל – 4 GHz.
איור 2 ניתן לראות את מבנה החריצים.
איור 2: גיאומטריית האנטנה לאחר הוספת החריצים.
איור 3 מציג את ההשוואה של מקדם ההחזרה S11 בין שתי האנטנות. ניתן לראות כי עבור האנטנה עם החריצים, תדר העבודה התחתון יורד ל – 1.25 GHz, לפי הקריטריון S11 < -10 dB.
איור 3: השוואה של S11 בין שתי האנטנות.
באיור 4 מוצגים עקומי הקרינה של שבח האנטנה בתלת ממד בתדר 1.5 GHz עבור שתי האנטנות. ניתן לראות שהאנטנה הנמצאת במישור XY בעלת קיטוב ליניארי אופקי, מפני שרכיב φ של השבח חזק יותר מרכיב θ בכיוון האלומה הראשית. כמו כן, ניתן לראות שעקום הקרינה עבור הקיטוב הדומיננטי של האנטנה עם החריצים נראה מסודר יותר, עם פחות אונות צד.
איור 4: השוואה בין אנטנת הייחוס לבין האנטנה עם החריצים עבור עקומי הקרינה בתדר 1.5GHz .
איור 5 משווה את ה־Peak Gain שהתקבל בסימולציה עבור אנטנת הייחוס והאנטנה המוצעת. ניתן לראות כי האנטנה עם החריצים שומרת על רמת שבח מתאימה לאורך כל תחום התדרים הנדרש 1.5 GHz – 4 GHz.
איור 5: השוואת ה־ Peak Gain בין אנטנת הייחוס לבין האנטנה המוצעת.
באיור 6 ניתן לראות את צפיפות הזרם המשטחית באנטנת הייחוס ובאנטנה עם החריצים בתדר 1.5 GHz. החריצים משנים את פילוג צפיפות הזרם ומאריכים את מסלול הזרם לאורך האנטנה. כתוצאה מכך גדל האורך החשמלי של האנטנה, דבר המאפשר להוריד את תדר העבודה התחתון מבלי להגדיל את ממדיה הפיזיים.
איור 6: השוואה של צפיפות הזרם המשטחית בין אנטנת הייחוס לבין האנטנה עם החריצים בתדר 1.5GHz .
לסיכום, באמצעות הוספת החריצים ניתן להוריד את תדר העבודה של אנטנת ה־Vivaldi ללא הגדלת ממדיה. עקום הקרינה ונצילות האנטנה תקינים לאורך תחום התדרים הנדרש.
מקורות:
[1] C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd ed., Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2005.
[2] P. Fei, Y.-C. Jiao, W. Hu, and F.-S. Zhang, “A Miniaturized Antipodal Vivaldi Antenna with Improved Radiation Characteristics”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 10, pp. 127–130, 2011.
הכתבה באדיבות חברת Electromagnetics Infinity.
על המחברים
ולדימיר וולפין ואיתמר מדר הם מהנדסי RF ואנטנות בחברת Infinity Electromagnetics, המתמחה בתכנון אנטנות, רכיבי RF וסימולציות אלקטרומגנטיות. נדב פרג'ון ועידן טייר הם בוגרי הנדסת חשמל ואלקטרוניקה, בהתמחות RF, במכללה האקדמית להנדסה ע"ש סמי שמעון (SCE)
