روش‌های تغذیه آنتن میکرواستریپ: انواع و انتخاب

تغذیه آنتن میکرواستریپ چیست؟

یک منبع تغذیه، منبع RF یا گیرنده را به پچ تابشی متصل می‌کند و در عین حال امپدانس سیستم را به امپدانس ورودی آنتن تبدیل می‌کند. در یک طراحی عملی، منبع تغذیه بخشی از آنتن است نه یک جزء جداگانه. هندسه آن توزیع جریان، فرکانس رزونانس، تلفات بازگشتی، پهنای باند قابل استفاده و تابش ناخواسته را تغییر می‌دهد.

تغذیه آنتن‌های میکرواستریپ معمولاً به روش‌های تماس مستقیم و روش‌های کوپل شده الکترومغناطیسی تقسیم می‌شوند. تغذیه خط میکرواستریپ و پروب کواکسیال، تماس الکتریکی مستقیم با پچ برقرار می‌کنند. تغذیه‌های کوپل شده با روزنه و کوپل شده با مجاورت، انرژی را از طریق کوپل شدن الکترومغناطیسی منتقل می‌کنند و معمولاً از بیش از یک لایه زیرلایه استفاده می‌کنند.

چهار روش اصلی تغذیه آنتن میکرواستریپ

۱. تغذیه خط میکرواستریپ

در یک تغذیه خط میکرواستریپ، یک خط انتقال چاپ شده مستقیماً به پچ متصل می‌شود. خط و پچ را می‌توان در یک فرآیند PCB روی یک زیرلایه ساخت، که این روش را ساده، کم‌حجم و مناسب برای تولید کم‌هزینه و آرایه‌های چاپ شده زیاد می‌کند.

تطبیق امپدانس را می‌توان با تغییر عرض خط تغذیه، استفاده از یک قطعه‌ی الحاقی، اضافه کردن یک ترانسفورماتور ربع موج یا بهینه‌سازی محل اتصال بین خط تغذیه و پچ تنظیم کرد. محدودیت اصلی این است که خط تغذیه نیز تابش می‌کند. این تابش کاذب می‌تواند بر قطبش متقاطع و الگوی تابش تأثیر بگذارد، به خصوص زمانی که زیرلایه نسبتاً ضخیم یا شبکه تغذیه طولانی باشد.

۲. تغذیه پروب کواکسیال

یک پروب کواکسیال از صفحه زمین و زیرلایه عبور می‌کند. رسانای بیرونی کواکسیال به صفحه زمین متصل است، در حالی که رسانای داخلی به پچ متصل است. جابجایی موقعیت پروب، راهی مناسب برای انتخاب مقاومت ورودی مورد نظر بدون چاپ خط تغذیه روی سطح تابشی فراهم می‌کند.

این روش، جایگذاری انعطاف‌پذیر نقطه تغذیه و عموماً تشعشع کم خط تغذیه را ارائه می‌دهد، اما به سوراخکاری و اتصال الکتریکی قابل اعتماد نیاز دارد. یک پروب بلند، اندوکتانس ایجاد می‌کند، بنابراین عملکرد می‌تواند با زیرلایه‌های ضخیم الکتریکی یا در فرکانس‌های بالاتر، بدتر شود. بنابراین، هندسه کانکتور، حجم لحیم و تلرانس تولید باید در مدل نهایی لحاظ شوند.

۳. تغذیه با دیافراگم جفت‌شده

یک تغذیه با دیافراگم کوپل شده، خط انتقال را زیر یک صفحه زمین و پچ را بالای آن قرار می‌دهد. انرژی از طریق یک شکاف در صفحه زمین عبور می‌کند. از آنجا که صفحه زمین، شبکه تغذیه را از پچ تابشی جدا می‌کند، این چیدمان، ایزولاسیون خوبی بین تغذیه و رادیاتور ایجاد می‌کند و می‌تواند تابش ناخواسته تغذیه را کاهش دهد.

ابعاد شیار، موقعیت شیار، خط تغذیه، ضخامت زیرلایه و ثابت‌های دی‌الکتریک، همگی بر کوپلینگ و تطبیق تأثیر می‌گذارند. کوپلینگ روزنه‌دار می‌تواند پهنای باند وسیع‌تری نسبت به بسیاری از تغذیه‌های مستقیم پشتیبانی کند، اما به ساختار چندلایه و هم‌ترازی دقیق بین خط، شیار و پچ نیاز دارد.

۴. تغذیه با اتصال مجاورتی

در یک تغذیه کوپل شده با مجاورت، که به آن تغذیه کوپل شده الکترومغناطیسی نیز گفته می‌شود، خط میکرواستریپ در زیر پچ قرار می‌گیرد و توسط یک لایه دی‌الکتریک از آن جدا می‌شود. این خط با بخشی از پچ همپوشانی دارد و انرژی از طریق میدان الکترومغناطیسی منتقل می‌شود. هیچ اتصال الکتریکی مستقیم و هیچ شکافی در صفحه زمین وجود ندارد.

طول همپوشانی، موقعیت خط، خواص زیرلایه و ضخامت لایه، کوپلینگ را کنترل می‌کنند. این روش می‌تواند پهنای باند امپدانس وسیع و تابش کاذب کم را فراهم کند، اما ساختار دو لایه ضخیم‌تر و نسبت به تلرانس‌های هم‌ترازی و پیوند حساس‌تر است.

مقایسه روش‌های تغذیه آنتن میکرواستریپ

روش تغذیه	پتانسیل پهنای باند معمول	ساخت	تابش/ایزولاسیون خوراک	مناسب برای
خط میکرواستریپ	محدود تا متوسط	برد مدار چاپی (PCB) ساده و تک لایه	تابش بیشتر خط تغذیه	طرح‌ها و آرایه‌های چاپی کم‌حجم و کم‌هزینه
پراب کواکسیال	محدود تا متوسط	حفاری و اتصال عمودی	تشعشعات پایین خط تغذیه	تنظیم نقطه تغذیه تک عنصری انعطاف‌پذیر
دیافراگم جفت‌شده	متوسط ​​تا پهن	چند لایه با ترازبندی اسلات	ایزولاسیون خوب خوراک	طرح‌هایی که نیاز به ایزولاسیون و پهنای باند وسیع‌تر دارند
جفت‌شده با مجاورت	عریض	چندلایه با ترازبندی همپوشانی	تابش کاذب کم	طرح‌های پهن‌باند که در آن‌ها ضخامت اضافه قابل قبول است

اینها روندهای طراحی نسبی هستند، نه ضمانت‌های عملکرد ثابت. شکل پچ، اتلاف زیرلایه، ثابت دی‌الکتریک، ضخامت، فرکانس، طول شبکه تغذیه و تلرانس تولید می‌توانند نتیجه را تغییر دهند.

نحوه انتخاب روش تغذیه مناسب

• پهنای باند مورد نیاز:تغذیه مستقیم اغلب برای سیستم‌های باند باریک کافی است. کوپلینگ دیافراگمی یا مجاورتی ممکن است زمانی ترجیح داده شود که پهنای باند امپدانس وسیع‌تر مورد نیاز باشد.
• تعداد پروفیل و لایه‌ها:تغذیه خط میکرواستریپ، ساختار را نازک و تولید آن را آسان نگه می‌دارد. تغذیه‌های جفت‌شده به لایه‌های اضافی و ترازبندی نیاز دارند.
• خلوص تابش:اگر تابش شبکه تغذیه یا ایزولاسیون جلو به عقب حیاتی باشد، یک ساختار کوپلینگ دیافراگمی می‌تواند تغذیه را از پچ جدا کند.
• ادغام آرایه:شبکه‌های میکرواستریپ چاپی برای آرایه‌ها مناسب هستند، اما با طولانی‌تر شدن شبکه، تلفات خط و تشعشعات انگلی افزایش می‌یابند. طرح‌بندی تغذیه شرکتی و تحمل دامنه/فاز باید با هم ارزیابی شوند.
• فرکانس و تلورانس:در فرکانس‌های موج میلی‌متری، گذارهای کانکتور، تلرانس اچینگ، ضخامت زیرلایه و خطاهای ثبت از نظر الکتریکی اهمیت پیدا می‌کنند.
• محدودیت‌های توان و حرارت:تلفات هادی، گرمایش دی‌الکتریک، چگالی جریان کانکتور و غلظت میدان محلی باید برای سطح توان مورد نظر بررسی شوند.
• هزینه و تکرارپذیری:طرحی که بهترین پهنای باند شبیه‌سازی شده را دارد، اگر نیاز به اتصال دشوار یا ترازبندی چندلایه دقیق داشته باشد، ممکن است بهترین انتخاب تولیدی نباشد.

نحوه انتخاب نقطه تغذیه پروب کواکسیال

موقعیت صحیح پروب، مکانی است که امپدانس ورودی هدف را نشان می‌دهد و در عین حال مد مورد نظر را با قطبش متقاطع قابل قبول تحریک می‌کند. این موقعیت نباید به طور خودکار در مرکز پچ، نقطه حداکثر میدان الکتریکی یا نقطه حداکثر جریان انتخاب شود.

برای یک پچ مستطیلی معمولی که در حالت اساسی خود کار می‌کند، مقاومت ورودی عموماً در نزدیکی لبه تابشی زیاد است و با حرکت فید به سمت مرکز در امتداد بعد رزونانس کاهش می‌یابد. یک نقطه 50 اهمی معمولاً بین لبه و مرکز یافت می‌شود. موقعیت دقیق به ابعاد پچ، خواص زیرلایه، قطر پروب، صفحه زمین، کانکتور و ساختارهای مجاور بستگی دارد.

1. با ابعاد پچ برای فرکانس رزونانس و قطبش مورد نیاز شروع کنید.
2. کاوشگر را روی یک خط تقارن مناسب قرار دهید تا به تحریک مد مورد نظر و محدود کردن میدان‌های با قطبش متقاطع کمک کند.
3. در یک مدل الکترومغناطیسی تمام موج، انحراف از لبه تابش را تا رسیدن به امپدانس هدف و تلفات بازگشتی، جارو کنید.
4. انتقال کواکسیال، اندوکتانس پراب، پد لحیم، صفحه زمین محدود، محفظه و رادوم را هنگامی که بخشی از مونتاژ نهایی هستند، لحاظ کنید.
5. یک مدل تلرانس برای ضخامت زیرلایه، ثابت دی‌الکتریک، حکاکی و خطای موقعیت تغذیه بسازید.
6. آنتن ساخته شده را با یک تحلیلگر شبکه برداری کالیبره شده اعتبارسنجی کنید و تنها پس از مقایسه صفحات مرجع اندازه‌گیری و شبیه‌سازی، تنظیمات را انجام دهید.

بررسی‌های طراحی و اندازه‌گیری

بهینه‌سازی تغذیه باید در برابر بیش از یک مقدار پارامتر S تأیید شود. یک بررسی کامل معمولاً شامل موارد زیر است:

• فرکانس رزونانس، S11، تلفات بازگشتی، VSWR و پهنای باند امپدانس.
• امپدانس ورودی حقیقی و موهومی در سراسر باند عملیاتی.
• راندمان کل، بهره تحقق یافته و تلفات هادی/دی الکتریک.
• الگوهای تابشی همقطار و متقاطع در صفحات اصلی.
• نسبت جلو به عقب، لوب‌های کناری و اعوجاج الگو ناشی از تغذیه یا کانکتور.
• توزیع فعلی و شواهدی از موج سطحی ناخواسته یا حالت‌های مرتبه بالاتر.
• عملکرد تحت شرایط دمایی، رادوم، محفظه، مسیر کابل‌کشی و نصب مورد انتظار.

کاربردها

آنتن‌ها و آرایه‌های میکرواستریپ در ترمینال‌های ارتباط بی‌سیم، تجهیزات ماهواره‌ای و ناوبری، حسگرهای راداری، تله‌متری، پلتفرم‌های هوافضا، سیستم‌های آزمایشی و محصولات RF تعبیه‌شده‌ی فشرده استفاده می‌شوند. معماری تغذیه باید برای نیاز واقعی سیستم انتخاب شود: یک تغذیه چاپی ساده ممکن است برای یک واحد باند باریک فشرده ایده‌آل باشد، در حالی که یک تغذیه کوپل شده ممکن است برای پهنای باند وسیع‌تر یا ایزولاسیون قوی‌تر توجیه‌پذیر باشد.

سوالات متداول

کدام روش تغذیه آنتن میکرواستریپ ساده ترین است؟

تغذیه خط میکرواستریپ معمولاً ساده‌ترین است زیرا خط و پچ را می‌توان روی یک زیرلایه چاپ کرد. ادغام آن با یک شبکه تغذیه مسطح آسان است، اگرچه تابش خط تغذیه باید کنترل شود.

کدام روش تغذیه، وسیع‌ترین پهنای باند را فراهم می‌کند؟

فیدهای جفت‌شده با مجاورت و دیافراگم معمولاً پتانسیل پهنای باند بیشتری نسبت به فیدهای مستقیم پایه ارائه می‌دهند. پهنای باند واقعی هنوز به هندسه کامل آنتن و زیرلایه بستگی دارد.

کدام خوراک بهترین ایزولاسیون را از ناحیه تابشی ارائه می‌دهد؟

کوپلینگ روزنه ای ایزولاسیون ساختاری قوی ایجاد می‌کند زیرا یک صفحه زمین، خط تغذیه را از پچ جدا می‌کند. نشتی شکاف و تابش برگشتی هنوز باید ارزیابی شوند.

آیا نقطه تغذیه فرکانس رزونانس را تغییر می‌دهد؟

هدف اصلی آن تطبیق امپدانس است، اما پروب یا خط، میدان‌های الکترومغناطیسی را نیز مختل می‌کند. پروب‌های بزرگ، پروب‌های بلند، کوپلینگ قوی یا تغذیه نزدیک به یک ناحیه میدان حساس می‌توانند رزونانس و همچنین امپدانس ورودی را تغییر دهند.

تفاوت بین تغذیه و تطبیق امپدانس چیست؟

تغذیه، نحوه‌ی تحویل انرژی RF به پچ را توصیف می‌کند. تطبیق امپدانس، فرآیندی است که ورودی آنتن را با خط انتقال، که معمولاً 50 اهم است، سازگار می‌کند. موقعیت تغذیه و هندسه، متغیرهای تطبیق مهمی هستند، اما ترانسفورماتورها، قطعات داخلی، استاب‌ها یا شبکه‌های تطبیق اضافی نیز ممکن است استفاده شوند.

نتیجه‌گیری

انتخاب تغذیه آنتن میکرواستریپ یک تصمیم در سطح سیستم است. تغذیه خط میکرواستریپ و پروب کواکسیال سادگی و تنظیم مستقیم را ترجیح می‌دهند، در حالی که کوپلینگ دیافراگم و مجاورت، ایزولاسیون قوی‌تر یا پهنای باند وسیع‌تری را با هزینه لایه‌های اضافی و کنترل ساخت دقیق‌تر ارائه می‌دهند. عملکرد نهایی همیشه باید با شبیه‌سازی تمام موج، تحلیل تلرانس و اندازه‌گیری کالیبره شده تأیید شود.

توصیه‌های محصول آنتن میکرواستریپ

RF MISO را کاوش کنیدمحصولات آنتن میکرواستریپدر زیر، یابا تیم مهندسی ما تماس بگیریدبرای بحث در مورد محدوده فرکانس، بهره، قطبش، رابط و الزامات ادغام.