طراحي و شبيه سازي آرايه اي از آنتن هاي ميكرواستريپ دو فركانسي براي يك ميكرو ماهواره كوچك مرتضي كازروني- دكتر احمد چلداوي دانشجوي دكتراي دانشگاه علم و صنعت ايران و هيي ت علمي دانشگاه صنعتي مالك اشتر- دانشيار دانشگاه علم و صنعت ايران mr_kazerooni@yahoo.com چكيده- اصولا طراحي آنتن هاي ميكرو ماهواره به دليل اينكه ميكروماهواره ها حجم بسيار كوچكي دارند هميشه يك مسي له اساسي در طراحي آن به شمار مي رود. در اين مقاله با توجه به محدوديت ذكر شده كه در ساخت ميكروماهواره ها وجود دارد طراحي جديدي را با استفاده از آرايه اي از آنتن هاي پچ ميكرو استريپ دو فركانسي اراي ه مي كند كه هم مي تواند بر محدوديت هايي مثل وزن و حجم غلبه نمايد هم ايزولاسيون لازم را بين دو پورت اتصالي آنتن فراهم نمايد و هم ارتباط لينك هاي پايين رو و بالا روي مخابراتي را تضمين كند زيرا كه در آنتن هاي ميكرواستريپ ايزولاسيون بين دو پورت آنتن دو فركانسي در حالت عادي بسيار كم خواهد بود. كليد واژه- آنتن هاي آرايه اي دو فركانسي ايزولاسيون ميكرو ماهواره لينك پايين رو و بالارو. 1- مقدمه ميكرو ماهواره ها به ماهواره هايي اطلاق مي گردد كه وزني در حدود 50-100 كيلوگرم داشته باشند. در اين نوع ماهواره ها بدليل محدوديت حجم و وزن بايد به دنبال روشي در طراحي آنتن آن باشيم تا هم وزن زيادي را به سيستم اعمال ننمايد و هم فركانس لينك پايين رو و بالا رو را براي آن فراهم نمايد. اصولا در استفاده از آنتن هاي ميكرواستريپ به بهره آن توجه زيادي مي گردد. جهت افزايش بهره مي توان از آرايه اي از اين نوع آنتن ها استفاده نمود. در ميكروماهواره ها به دليل محدوديت شديد ذكر شده در ساختار آن نمي توان اين آنتن ها را خيلي دور از هم قرار داد تا اثرات تزويج متقابل را كه ناشي از امواج سطحي است را كم نمايد. از طرفي ايزولاسيون بين پورت ها در لينك هاي بالا و پايين رو بايد طوري باشد كه همشنوايي گيرندگي و فرستندگي به حداقل برسد. هارمونيك هاي دوم و سوم در لينك پايين رو ماهواره خود مي تواند درد سر ساز باشد. در اين مقاله روش جديدي جهت طراحي بهينه آنتن ميكرو ماهواره هاي بدون كنترل وضعيت اراي ه گرديده كه بر كاستي هاي فوق الذكر به ميزان بسيار زيادي غلبه كرده و مي تواند گامي اساسي در طراحي و ساخت بهينه ميكروماهواره ها باشد. 2- ساختار پيشنهادي جهت لينك مخابراتي اين ميكرو ماهواره يك ميكروماهواره مكعبي شكل از آلومينيم مي باشد. دليل استفاده از آلومينيم سبكي وزن ومقاومت خوب آن است همچنين استفاده از اين فلز به عنوان يك شيلدينگ مطمي ن جهت جلوگيري از تزويج آنتن به ادوات الكترونيكي و مخابراتي درون ميكروماهواره مطرح 20 20 سانتي متر در مي باشد. اين مكعب با ابعاد 20 نظر گرفته مي شود. آنتن هاي استفاده شده براي برقراري لينك پايين رو و بالاروي مخابراتي دو آنتن پچ مستطيلي با دو فركانس پلاريزه شده عمود بر هم با ايزولاسيون پورتي بالا بوده كه به تقويت كننده توان فرستنده متصل مي باشد. لينك پايين رو داراي فركانس 2.75GHz و لينك بالا رو داراي فركانس 2GHz ميباشد. براي كاهش هارمونيك هاي دوم و سوم از پترن دمبلي شكلي كه از صفحه زمين آنتن برداشته شده استفاده مي گردد. خط ميكرواستريپ همراه با پترن دمبلي شكل در صفحه زمين مدار براي كاهش فركانس هاي هارمونيكي مرتبه بالا كه در اين جا منظور هارمونيك هاي دوم و سوم فركانس كار لينك پايين رو يعني 5.5GHz و 8.25GHz استفاده مي گردد. اين پترن دمبلي شكل باعث ايجاد باند حذفي در اين هارمونيك ها مي گردد زيرا به مشابه يك رزناتور LC عمل مي نمايد و بدون اينكه بر روي سيگنال اصلي تا ثيري داشته باشد كار حذف هارمونيك هاي مزاحم را به خوبي انجام مي دهد. اين 1

ساختار دمبلي شكل به سادگي با استفاده از شبيه سازي الكترومغناطيسي عناصر فشرده مدلسازي شده است(شكل 1). همچنين در اينجا از پترن مارپيچي نيز در صفحه زمين مدار براي عبور فركانس مطلوب يعني 2GHz و فيلتر سيگنال ناخواسته يعني 2.75GHz استفاده مي شود. اين پترن نيز شبيه يك فيلتر عمل مي نمايد. مدار معادل اين نوع فيلتر در شكل 2 ديده مي شود. اين مدار معادل از يك اندوكتانس كه نشان دهنده تزويج متقابل بين پترن مارپيچ برداشته شده از زمين و يك استاب اتصال كوتاه با امپدانس Z s مشخصه تشكيل شده است تا پاسخ فركانسي پريوديكي را از خود نشان دهد. شكل 1 :مدار معادل پترن دمبلي شكل شكل 2 :مدار معادل پترن مارپيچ 3- طراحي تحليل و شبيه سازي ساختار پترن هاي دمبلي و مارپيچ شكل در زمين يك مدار ميكرواستريپ ابتدا ساختار مدار ميكرواستريپ با پترن مارپيچ در زمين آن بررسي مي گردد. اين ساختار در شكل 3 نشان داده شده است و متشكل از يك خط ميكرواستريپ معمولي بر روي يك پترن مارپيچي مي باشد كه از صفحه زمين برداشته شده است. طراحي طوري انجام گرفته كه اين مدار فركانس هاي مطلوب را عبور داده و از فركانس هاي ناخواسته جلوگيري به عمل آيد. در اين حالت مدار مورد نظر مثل يك خط ميكرواستريپ معمولي عمل مي نمايد كه در فركانس 2GHz طراحي شده و سيگنال را عبور مي دهد و در فركانس 2.75GHz سيگنالهاي ناخواسته را فيلتر مي نمايد. مدار معادل آن با استفاده از برازش منحني بدست آمده همچنين مقادير عددي آن در زير شكل آورده شده است. توجه شود كه در اينجا امپدانس 75Ω انتخاب مي گردد تا از نظر عملكرد نويزي در گيرنده وضعيت مطلوب تري داشته باشيم و نويز كلي گيرنده افزايش نيابد زيرا كه اين پورت به گيرنده كه شامل LNA است متصل مي گردد. شبيه سازي اين مدار با استفاده از نرم افزار HF انجام گرفته است. زير لايه مورد نظر داراي ضخامت εمي r باشد. همانطور كه از شكل 0.787mm با = 2.33 مشاهده 3 مي گردد اين فيلترداراي باند حذفي حول و حوش فركانس 2.75GHz بوده و اين فركانس را بخوبي حذف نمايد. اكنون ساختار ميكرواستريپي با پترن دمبلي شكل بررسي مي گردد. اين خط بايد طوري طراحي گردد كه فركانسهاي هارمونيكي دوم و سوم پورت مربوط به خود را يعني فركانسهاي 5.5GHz و 8.25GHz را حذف نمايد. و فركانس اصلي يعني 2.75GHz را بدون هيچ تا ثير نامطلوبي بر آن عبور دهد. اين ساختار نيز به سادگي با عناصر فشرده قابل معادل سازي مي باشد. مقادير حاصل از طراحي نيز در زير شكل 4 مشاهده مي گردد. شبيه سازي اين طرح نيز با نرم افزار HF انجام يافته و مدار حاصل بر همان زير لايه قبلي ساخته شده است. اين ساختار مثل يك فيلتر عمل كرده و فركانس هاي نامطلوب را به ميزان زيادي كاهش مي دهد زيرا بدون حذف اين فركانس ها امكان تشعشع و 2

تداخل الكترومغناطيسي در اين فركانس ها ممكن خواهد شد. شكل 3- ساختار مارپيچي شكل طراحي شده با 4- ساختار آنتن پچ مستطيلي شكل ميكرواستريپي با ايزولاسيون پورتي مطلوب با توجه به لينك پايين رو و بالا رو در ميكروماهواره ها بايد از نظر پلاريزاسيون عمود بر هم و با فركانسهاي متفاوت باشند مي توان آرايه اي از آنتن هاي پچ مستطيل شكل با تغذيه ميكرواسترپي در نظر گرفت. در فرستنده-گيرنده هاي متداول ايزولاسيون بالا بين باندهاي فرستنده- گيرنده يك امر بحراني محسوب مي شود كه استفاده از دايپلكسر مي تواند يك راه حل محسوب گردد [3] [4] [5]. بجاي استفاده از يك مدار دايپكلسر اضافي يك روش ديگر براي رسيدن به ايزولاسيون پورتي استفاده از آنتنهاي دو باندي با تحريك مستقل مي باشد [6] [7] [8] [9] [10] [11] كه در اين مقاله براي لينك هاي پايين رو و بالاروي يك ميكروماهواره پيشنهاد مي گردد. با اين روش ضرورت داشتن دايپكلسر حذف شده بازده سيستم بالاتر رفته و هزينه و وزن كلي يك ميكروماهواره كاهش مي يابد. همچنين طبيعت آنتن پچ طوري است كه علاوه بر تشعشع مود اصلي تشعشع مود هاي بالاتر را نيز فراهم مي كند بنابراين با استفاده از دو پترن ايجاد شده در زمين مدار اولا ايزولاسيون لازم جهت تحريك آنتن برقرار شده و ثانيا هارمونيك هاي دوم و سوم مزاحم ناشي از تقويت كننده فرستنده به ميزان زيادي حذف مي گردد. در شكل 5 ميزان ايزولاسيون بين دو پورت ورودي آنتن طراحي شده شبيه سازي گرديده است كه ميزان ايزولاسيون در فركانس كار آنتن يعني فركانس هاي ما بين 2GHz تا 2.75GHz زير 20dB - مي باشد. L = 13.15mm, = H = V = 5mmW, = 2.31mmG, = G = 0.6 mm, 1 = 2 = G 3 = 0.2mm 1 2 شكل 4- ساختار دمبلي شكل طراحي شده با L = 13.5mmH, = 4.6 mmv, = 5mm, = 1mmW, = 1.15mmG, = 0. mm 2 3

آداپتور ماهواره شكل 5 :شماي آنتن طراحي شده شبيه سازي آنتن با نرم افزارHF و ميزان ايزولاسيون دو پورت آنتن 5- آرايه اي از آنتن پچ ميكرواستريپ پيشنهادي با توجه به ساختار آنتن پچ ميكرواستريپ پيشنهادي جهت افزايش بهره مي توان از آرايه اي از اين آنتن ها در برقرار لينك هاي ماهواره اي استفاده نمود(شكل 6) بنابراين جهت ميكروماهواره مورد نظر يك آنتن آرايه اي با دو عدد آنتن پچ ميكرواستريپ مستطيلي پيشنهاد مي گردد. در آرايه كردن آنتن تنها مشكلي كه باقي مي ماند تزويج ناخواسته بين آنتنها مي باشد كه با قراردادي پترن هاي امپدانس بالا بين هر دو عنصر آرايه بر اين مشكل مي توان غلبه كرد. همچنين جهت بهبود بهره كلي و كيفيت تشعشع مي توان از ساختار باند گپ الكترومغناطيسي(( Gap (EBG(Electromagnetic Band در زير لايه اين آنتن ها نيز بهره گرفت. همچنين با توجه به ساختار كلي ميكرو ماهواره و تشعشع از لبه ها مشكلي از جهت ايجاد نويز در پترن كلي ايجاد نمي گردد و بنابراين چنانچه اين ميكروماهواره داراي هيچ كنترل وضعيتي نباشد ارتباط امن جهت لينك هاي پايين رو و بالا رو برقرار مي گردد. همچنين جهت ارتباط مطمي ن ميكروماهواره با ايستگاه زميني آنتن هاي ايستگاه زميني بايد داراي پلاريزاسيون دايروي باشد. ذكر اين نكته نيز حاي ز اهميت است كه به دليل اينكه پهناي باند آنتن پچ %10 مي باشد اين آنتن به راحتي در فركانس هاي 2GHz و 2.75GHz عمل خواهد نمود. آداپتور ماهواره شكل 6.آنتن آرايه اي مورد استفاده در ميكروماهواره و نحوه قرار گيري اين آنتن ها بر روي بدنه ميكروماهواره جهت تا مين مخابرات مطمي ن 6- نتيجه گيري و اراي ه پيشنهاد در اين مقاله نوعي آنتن آرايه اي كه داراي دو پلاريزاسيون عمود بر هم مي باشد جهت يك نوع ميكروماهواره بدون كنترل وضعيت پيشنهاد گرديد. با توجه به محدوديت هاي موجود در اغلب ميكرو ماهواره ها پيشنهاد چنين آنتني مي تواند به عنوان طرحي بهينه براي اينگونه ميكروماهواره ها تلقي گردد. اين نوع آنتن داراي ايزولاسيون پورتي بالا جهت حذف همشنوايي كه يكي از مشكلات اساسي در آنتنهاي دو پلاريزاسيوني مي باشد خواهد بود. همچنين اين طراحي قادر خواهد بود كه هارمونيك هاي مزاحم دوم و سوم كه ناشي از تقويت كننده توان در فرستنده مي باشد را حذف نمايد. بنابراين با توجه به مزاياي ذكر گرديده اين نوع آنتن مي تواند در يك ميكروماهواره براي برقراري ارتباطي لينك هاي پايين رو و بالارو مورد استفاده قرار گيرد. اين مقاله جهت افزايش بيشتر بهره و كاهش تزويج متقابل نيز راهكارهايي چون استفاده از آرايه و پترن هاي EBG و پترن امپدانس بالا بين هر دو عنصر از آرايه پيشنهاد مي نمايد. همچنين در اين مقاله موارد زير مطرح گرديد: 4

[1] J.. Lim, J.. Park, Y. T. Lee,. Ahn, and. Nam, Application of defected ground structure in reducing the size of amplifiers, IEEE Microwave Wireless Comp. Lett., vol. 12, pp. 261 263, July 2002. [2] J.. Lim,.W. Lee, C.. Kim, J.. Park,. Ahn, and. Nam, A 4:1 unequal Wilkinson power divider, IEEE Microwave Wireless Comp.Lett., vol. 11, pp. 124 126, Mar. 2001. [3] A. R. Brown and G. M. Rebeiz, Ahighperformance integratedk-band diplexer, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 47, pp. 1477 1481,Aug. 1999. [4] T. Y. Yun and K. Chang, A new PBG diplexer for a multi-band transceiver antenna system, in IEEE AP- Int. ymp. ig., vol. 2, 2001,pp.490 493. [5]. K. Park, R. Waterhouse, Y. Qian, and T. Itoh, elf-diplexed integrated antenna transceiver for wireless applications, in IEEE AP- Int. ymp. ig., vol. 3, 2001, pp. 444 457. [6] W. F. Richards, J.. Ou, and. A. Long, A theoretical and experimental investigation of, annular sector, and circular sector microstrip antenna, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-32, pp. 864 867, Aug. 1984. [7] C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and esign. New York: Wiley, 1997. [8] T. W. Chiou and K. L. Wong, Broad-band dual-polarized single microstrip patch antenna with high isolation and low cross polarization, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 50, pp. 399 401, Mar. 2002. [9] M. Hanseishi and M. Konno, ual-polarized planar antenna fed by dog-bone slots, in IEE 11th Int. Antenna and Propagation Conf., 2001,pp. 45 48. [10]. M. Pozar, Microwave Engineering, 2nd ed. New York:Wiley, 1998. [11] R. E. Collin, Foundations for Microwave Engineering, 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1992. الف- اين مقاله طرح يك آنتن پچ مستطيلي با دوفركانس پلاريزه شده عمود بر هم با ايزولاسيون پورتي مطلوب كه با تقويت كننده توان همراه است را اراي ه مي دهد. ب- پترن مارپيچي ايزولاسيون پورت آنتن را بهبود مي بخشد و كاهش هارمونيك هاي مرتبه بالاتر تقويت كننده توان توسط پترن دمبلي شكل انجام مي گيرد. ج- شبيه سازي نشان مي دهد كه 20dB ايزولاسيون پورتي حاصل مي گردد. د- در فرستنده گيرنده هاي معمولي ايزولاسيون مطلوب بين باند هاي فرستنده و گيرنده يك امر بحراني به حساب مي آيد. دايپلكسرهاي موجود بين مدارهاي فرستنده و گيرنده و آنتن به ميزان زيادي براي فراهم كردن عملكرد ايزولاسيون بالا استفاده مي گردد. ه- بجاي استفاده از يك مدار داپلكسر اضافي يك روش ديگر براي رسيدن به ايزولاسيون پورت مي تواند استفاده از آنتن دو باندي مي باشد كه اين آنتن داراي دو مود تحريك براي لينك TX و RX فرستنده-گيرنده (ترانسيور) دارد. اين روش مي تواند ضرورت دايپلكسرها و اجزاي ديگر ترانسيور را حذف كند همچنين بازده سيستم را بالا مي برد و هزينه را كاهش مي دهد. اين مزيت در ساخت ميكروماهوارها ميتواند بسيار سودمند باشد. و- به شرط اينكه آنتن پچ مستطيلي ايزولاسيون لازم را براي سيستم ترانسيور دو باندي محيا سازد مي تواند براي كاربردهايي كه هيچ محدوديتي براي دو باندي بودن و ساخت آنها نباشد و همچنين قابل جمع شدن آنها با ادوات اكتيو مناسب باشد مورد استفاده قرار گيرد. ز- در حالت كلي آنتن هاي پچ معمولي براي عملگرهاي دو باندي با دو پلاريزاسيون خطي عمود بر هم داراي ايزولاسيون ضعيفي هستند. مراجع سپاسگذاري ازمجتمع دانشگاهي برق و الكترونيك دانشگاه صنعتي مالك اشتر به سبب فراهم نمودن امكانات تحقيق موضوع مقاله تشكر مي گردد. 5