تاریخچه آنتن پچ
آنتن پچ مایکرواستریپی به دهه 1960 برمی‌گردد. در ابتدا این نوع آنتن برای کاربردهای نظامی به کار می‌رفت، اما حالا در سطح صنعتی و غیرنظامی نیز استفاده میشود. از آنجایی که آنتن پچ مایکرواستریپی نیاز به فضای کم دارد، عمدتا در دستگاه‌های کوچک الکترونیکی مانند گوشی‌های همراه، کامپیوترهای قابل حمل، صفحات کامپیوتری و تلویزیون‌های صفحه‌ای به کار می‌رود. برای ساخت این آنتن‌ها اغلب از زیر لایه های مرسومی مثل FR-4، Alumina، Rogers 4350 و Rogers 5880 استفاده میشود.
--------------------------------------------------------------
اجزای آنتن پچ:
مطابق شکل زیر آنتن پچ شامل چندین قسمت است که به همراه هم کار می کنند تا امواج رادیویی را دریافت و ارسال کنند. اجزای اصلی یک آنتن پچ عبارتند از:
Substrate: یک قطعه تخت از موادی مانند فیبر کربن، FR4 یا سرامیک و یا زیر لایه هایی که انعطاف پذیر است. این قطعه در زیر پیچ های فلزی (رساناها) قرار می گیرد.
Radiator or Patch: یک ورق فلزی بسیار نازک که بر روی Substrate قرار گرفته است. طول و عرض آن به فرکانس کاری آنتن برای انتقال داده ها وابسته است.
Ground Plane: یک لایه فلزی که در زیر Substrate در نزدیکی Radiator قرار دارد.
Feed Line: یک خط انتقال کوتاه که اتصال منبع را به Radiator را برقرار می کند
Matching Circuit:اگر امپدانس ورودی آنتن در فرکانس مورد نظر مورد درخواست شما نباشد بایستی از این مدارات استفاده کنید.
---------------------------------------------------------
مزایای آنتن های پچ مایکرواستریپی عبارتند از:
1- کوچک و سبک: آنتن های پچ مایکرواستریپی بسیار کوچک و سبک هستند و در محیط های محدود به راحتی قابل استفاده هستند.
2- قابلیت جذب و حفظ پلاریزاسیون: آنتن های پچ مایکرواستریپی به دلیل دارا بودن ساختار خاص خود، قابلیت جذب و حفظ پلاریزاسیون سیگنال را دارند.
3- هزینه کمتر: آنتن های پچ مایکرواستریپی هزینه کمتری نسبت به آنتن های دیگر دارند، بنابراین از لحاظ اقتصادی برای کاربران مزایای بیشتری دارند.
4- قابلیت استفاده در فرکانس های مختلف: این آنتن ها با قابلیت تنظیم فرکانس، قابلیت استفاده در فرکانس‌های مختلف را دارا هستند.
5- انعطاف پذیری: همانچنین آنتن های پچ مایکرواستریپی با قابلیت تغییر فرم و انعطاف پذیری بالا، در طراحی سیستم های بی سیم و دستگاه های الکترونیکی مختلف قابل استفاده هستند.
6- سازگاری با تکنولوژی‌های جدید: این نوع آنتن ها با ظهور تکنولوژی های جدید، مانند فناوری جدید 4G LTE، 5G و Wi-Fi 6، قابل استفاده هستند.
7- پایداری در شرایط اقلیمی: به دلیل ساختار خاص و مقاومت بالای آنتن های پچ، آنها قابل استفاده در شرایط اقلیمی مختلف هستند و در برابر ایجاد خرابی توسط عوامل طبیعی، مثل باد و ورود آب، مقاومت دارند
-------------------------------------------
معایب آنتن های پچ مایکرواستریپی عبارتند از:
1- محدودیت در فاصله: آنتن های پچ مایکرواستریپی به صورت المان تنها به علت بهره کم در فواصل کلان و در محیط های با سطح بلند و موانع با مشکل مواجه می کنند.
2- به دست آوردن تعادل بین پهنای باند و ارتفاع: برای به دست آوردن بهترین پهنای باند، ارتفاع آنتن بسیار مهم است. اما ارتفاع این نوع آنتن ها به علت ضخامت محدود زیر لایه خیلی قابل افزایش نیست.
3- محدودیت پهنای باند
4- نویز پذیری بالا
5-تزویج متقابل بالا
--------------------------------------
معادلات حاکم بر آنتن های پچ برای طراحی:
در طراحی آنتن های پچ مایکرواستریپی، معادلات زیر برای تعیین ابعاد آنتن بسیار مهم است (مطابق شکل زیر):
f0 is the Resonance Frequency
W is the Width of the Patch
L is the Length of the Patch
h is the thickness
εr is the relative Permittivity of the dielectric substrate
c is the Speed of light: 3 x 108
۱. تعیین طول موج cutoff
λg = λ0/√(εr)
که λ0 طول موج در فضای آزاد و εr ثابت دی‌الکتریکی ماده است.
۲. برای محاسبه طول آنتن از معادله زیر استفاده می شود:
L = λg/2
۳. برای محاسبه عرض آنتن، از روابط زیر استفاده می شود:
W = c/2f0√(εe)
که c سرعت نور، f0 فرکانس مورد نظر و εe ثابت دی الکتریکی
۴. برای تعیین عرض رزن (impedance)، رابطه زیر را می‌توان استفاده کرد:
w = (ΔL/47.7√(Z0/εr)) + 0.2((εr-1)/ (εr+1)) (1/w+0.64)
----------------------------
مهمترین چالش های اخیر مطرح شده در خصوص آنتن های پچ مایکرواستریپی و موضوع های داغ سال های اخیر در این حوزه چیست؟
- با پیشرفت تکنولوژی مخابرات، مشکلاتی برای آنتن های پچ مایکرواستریپی شناسایی شده است. این چالش ها عبارتند از:
- تزویج متقابل بالا بین دو آنتن، از فناوریهایی مانند ساختار های متناوب برای کاهش این پارامتر استفاده میشود.
- عدم تحمل در برابر شوک حرارتی
- بهبود پهنای باند آنتن
- طراحی چند بانده و باند عریض آنتن های پچ مایکرواستریپی برای کاربردهای مختلف در شبکه‌های بی‌سیم.
- استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی و الگوریتم های بهینه سازی برای بهبود کارآیی آنتن های پچ مایکرواستریپی.
- کاهش اثرات تداخل امواج رادیویی روی عملکرد سیستم های بی‌سیم با طراحی پچ های آنتنی پیچیده تر.
- ارائه روش های دقیق برای شناسایی فرکانس های رزونانسی آنتن های پچ مایکرواستریپی
- بهینه سازی شکل و ساختار پچ های آنتنی برای دستیابی به الگوی تابش مورد نظر و افزایش کارآیی سیستم.
- طراحی آنتن های پچ مایکرواستریپی کوچک‌تر با به کارگیری مواد نوین، بهینه سازی فرایند تولید و به کارگیری فناوری‌های پیشرفته.
این موضوعات نشان می‌دهد که مهندسان در تحقیقات و طراحی آنتن های پچ مایکرواستریپی به دنبال بهبود عملکرد و کارایی این پر استفاده‌ترین نوع آنتن ها در انواع سیستم های بی‌سیم می باشند.
------------------------------
بعضی از اشکال مورد استفاده در آنتن های پچ مایکرواستریپی شامل آنتن پچ معمولی، آنتن پچ دو لایه، آنتن پچ دایره‌ای و آنتن پچ شکل باریک مستطیلی هستند.
علت استفاده از هر یک از این اشکال، به دلایل مختلفی صورت میگیرد. به عنوان مثال، آنتن پچ دو لایه برای تفکیک پلاریزاسیون ویا گاهی افزایش پهنای باند مورد استفاده قرار میگیرد، در حالی که آنتن پچ دایره‌ای برای استفاده در برخی از دستگاه‌های GPS مناسب است.
همچنین آنتن پچ معمولی عمدتاً برای فرکانس‌های پایین تر مورد استفاده قرار میگیرد، در حالی که آنتن پچ شکل باریک مستطیلی برای باندهای فرکانسی بالا و توان بیشتر به کار می‌رود.
---------------------------------
اگر برای ادامه پژوهش در موضوع آنتن های پچ مایکرواستریپی علاقه مندید، توصیه های زیر میتواند به شما کمک کند:
- مطالعه متون مرتبط: برای دستیابی به اطلاعات بیشتر در زمینه آنتن های پچ مایکرواستریپی، بهتر است کتاب‌های مرجع و مقالات علمی مرتبط با این حوزه را مطالعه کنید. در این متون می‌توانید با نظریات و همچنین تکنیک‌های مختلف آنتن‌سازی آشنا شوید.
- پیدا کردن یک استاد راهنما: اگر می خواهید در موضوع آنتن های پچ مایکرواستریپی پژوهش کنید بهتر است یک استاد راهنما با تجربه در این زمینه پیدا کنید. استاد راهنما با کمک و مشاوره‌های خود میتواند شما را در مسیر پژوهش و کشف نوآوری های جدید همراهی کند.
- آزمایش‌های عملی: برای افزایش دانش خود در زمینه آنتن های پچ مایکرواستریپی، باید آزمایش‌های عملی را شروع کنید. این آزمایش ها می تواند توسط یک آزمایشگاه یا شرکت مرتبط با این صنعت در دسترس باشد.
- شبیه سازی و پیاده سازی انواع آنتن های پچ در شبیه ساز های تمام موج میتواند تا حدودی به دید مهندسی شما در این موضوع بیافزاید.
- در نهایت، با مطالعه متون علمی و با استفاده از تجربیات محققان پیشین و مشارکت در پروژه های عملی و کارگروه های مرتبط با این حوزه می توانید دانش و تجربه خود را گسترش دهید
----------------------------------
- "Design of a compact dual-band circularly polarized patch antenna using cross-coupling and orthogonal feed," DOI: 10.23919/TST.2018.8447467.
- "A wideband U-shaped microstrip patch antenna with partially etched ground plane," DOI: 10.1109/LAWP.2017.2668859.
- "A high-gain dual circularly polarized patch antenna for global navigation satellite systems applications," DOI: 10.3390/s20071996.
- "A CPW-fed hexagonal patch antenna with meander line for UWB applications," DOI: 10.1109/LAWP.2017.2762498.
- "A compact dual-polarized patch antenna with dual port feed for base station applications," DOI: 10.3390/app9061167.
- "An L-shaped probe-fed microstrip patch antenna for WiMAX and WLAN applications," DOI: 10.1109/LAWP.2017.2721722.
- "Design and optimization of elliptical shaped patch antenna array for X-band applications," DOI: 10.1109/ICSCA.2017.8251054.
- "Reconfigurable broadband Antenna Array Using CPW-fed Microstrip patch antenna for MIMO applications," DOI: 10.1109/ICCAS.2018.8572172.
- "Design and analysis of a compact ultra-wideband (UWB) patch antenna with wide radiation pattern," DOI: 10.1109/LAWP.2017.2761884.
- "Single probe-fed hexagonal patch antenna with a nearly omnidirectional radiation pattern," DOI: 10.1109/LAWP.2016.2584726.
- "Design of triple-frequency patch antenna with a switchable feeding structure for wireless applications," DOI: 10.1109/LAWP.2017.2687665.
- "Design of a dual band planar inverted-F antenna for wireless communication applications," DOI: 10.4018/978-1-5225-4063-5.ch003.
- "Design and development of a triple band microstrip patch antenna for wireless communication applications," DOI: 10.1049/ic.2018.0495.
- "A compact printed monopole antenna integrated with a decoupling network for wireless communication applications," DOI: 10.1049/el.2017.2894.
- "Design of a broadband circularly polarized square slot antenna for RFID applications," DOI: 10.1109/TAAP.2019.8939483.
- "Compact, wideband and high gain quad-point circularly polarized patch antenna with defected ground structure," DOI: 10.1109/ICECCE.2017.8284844.
- "Design of a compact, miniaturized PIFA for 5.5 GHz WLAN applications," DOI: 10.1109/ICCSE.2017.8122258.
- "Design and analysis of dual-band slot loaded rectangular patch antenna for wireless applications," DOI: 10.23919/ICBSP.2018.8597485.
- "Dual-purpose UWB band-reject patch antenna with enhanced band-notched functions," DOI: 10.1109/TMTT.2018.2845360.
- "Printed square monopole antenna for wireless communication applications," DOI: 10.1109/TAP.2017.2783054.
- "Design and analysis of a dual-band hexagonal patch antenna for wireless communication applications," DOI: 10.1109/NETCOM.2018.8460682.
- "High gain, wideband inverted L antenna for 4G/5G mobile applications," DOI: 10.1049/el.2018.1408.
- "Modified circularly polarized square patch antenna for C-band applications," DOI: 10.1049/ic.2017.0058.
- "Design and development of a triple-band slotted rectangular patch antenna for RFID applications," DOI: 10.1109/CICSYN.2017.8128509.
- "Design and analysis of a compact tri-band patch antenna for GPS applications," DOI: 10.1109/ICPEICES.2016.7853775.
- "A compact dual band π-shaped microstrip patch antenna for wireless communication applications," DOI: 10.1049/el.2016.7729.
- Microstrip Antenna Design Handbook by Ramesh Garg
- Antenna Theory: Analysis and Design by Constantine A. Balanis
- Handbook of Microstrip Antennas: Volume 1 - Basic Designs by P. Bhartia, I. Bahl, R. Garg, and A. Ittipiboon
- Introduction to Microstrip Antennas by John Wiley & Sons
- Microstrip Patch Antennas: A Designer's Guide by Rod Waterhouse
- Practical Microstrip and Printed Antenna Design by Anil Kumar and K. P. Ray
- Design of Microstrip Patch Antenna by K.C. Gupta and P. Raina
- Broadband Microstrip Antennas by Girish Kumar and K. P. Ray
- Microstrip Filters for RF/Microwave Applications by Jia-Shen G. Hong and M. J. Lancaster
- Microstrip Lines and Slotlines by Ramesh Garg
- Microwave Engineering by David M. Pozar
- Theory and Practice of Microstrip Antennas by Karu Esselle and Michael Karmel
- Small Antenna Design by Douglas B. Miron
- Microstrip and Printed Antenna Design by Randy Bancroft
- Broadband Patch Antennas by Kai Fong Lee
- Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems by Simon Watts
- Microstrip Patch Antennas by Dr. Amit Kumar Singh
- Printed Antennas for Wireless Communications by Zhijun Zhang
- Microstrip Antenna Theory and Design by James Virtuoso
- Printed Circuit Antennas by Robert A. Sainati
- Microstrip Antennas: The Analysis and Design of Microstrip Radiators by D. M. Pozar, D. H. Schaubert and A. M. Itoh
- Advanced Microstrip and Patch Antennas by Kin-Lu Wong
- Planar Antennas: Design and Applications by Huaiyu Zheng
- Modern Antenna Handbook by Constantine A. Balanis
- Microstrip Antennas: A Designer's Guide by Albert W. Wang
- Antenna Handbook: Theory, Applications, and Design by Y.T. Lo and S.W. Lee
- Miniaturization of Microstrip Antennas using Fractal Geometry by Dr. Shiban Koul
- Smart Antennas by Javad Ahmadi-Shokouh
- Ultra Wideband Antennas and Propagation for Communications, Radar and Imaging by Ba-Ngu Vo and Anthony Brown
- Tunable Microstrip Antennas by Mohammad Alamgir and Mohammad Tariqul Islam.
