طراحی و شبیهسازی آنتن شیپوری ESIW صفحه H با بهره بالا و پهنای باند بهبودیافته
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوتر
سید حسین حقیرالسادات
1
,
محمدحسن نشاطي
2
*
1 - دانشگاه فردوسی،گروه مهندسی برق
2 - دانشگاه فردوسی مشهد،گروه مهندسی برق
کلید واژه: آنتن شیپوری, موجبر مجتمع‌شده در زیرلایه, شكاف تشعشعی, شکاف غیر تشعشعی, صفحه بازتابنده,
چکیده مقاله :
در این مقاله با استفاده از شکاف تشعشعی، الگوی تابشی آنتن شیپوری SIW صفحه H با کاهش پهنای پرتو نیم‌توان در صفحه E بهبود یافته است. این شکاف‌ها می‌توانند علاوه بر حفظ ابعاد ساختار، تأثیر بسزایی بر روی مشخصات آنتن داشته باشند. قرارگرفتن صفحه بازتابنده در فواصل مناسبی از دهانه و شکاف‌ها نیز منجر به بهبود سطح پرتوهای فرعی و تشعشع آنتن در جهت معکوس می‌شود. سپس برای بهبود تطبیق امپدانس و افزایش پهنای باند امپدانسی آنتن، دی‌الکتریک ساختار به طور کامل حذف گردیده و شکاف‌های غیر تشعشعی در صفحه‌های بالا و پایین به آنتن اضافه می‌شوند. حذف عایق باعث افزایش پهنای باند آنتن نسبت به پهنای باند آنتن معمولی شیپوری SIW شده و اضافه‌کردن شکاف‌های تشعشعی، بهره آنتن را نیز بهبود قابل ملاحظه‌ای می‌دهد. نتایج حاصل از شبیهسازی نشان می‌دهند که آنتن پیشنهادی این مقاله، محدوده فرکانسی GHz 2/27 تا GHz 3/28 را پوشش داده و بهره آن نیز در این بازه بین dBi 1/10 تا dBi 3/15 با بازده تشعشعی 98% تغییر می‌کند. در انتها به منظور افزایش بهره آنتن، یک آرایه دوبعدی از آنتن پیشنهادی در صفحه H با ساختار تغذیه مناسب طراحی شده است.
In this paper by using the radiation slots, the half power beam width (HPBW) of the SIW horn antenna is reduced in E-plane and the radiation pattern is improved. In addition to keeping the dimensions of the structure constant, these slots can have a significant effect on the characteristics of the antenna. Also placing the reflector plate at a suitable distance from aperture and slots leads to improve side lobe levels (SLLs) and front to back ration (FTBR). Then, to improve the impedance matching and increase the bandwidth of the antenna, the dielectric of the structure is completely removed and non-radiation slots added to the upper and lower plate of the antenna. Removing the insulation, increasing the bandwidth of the antenna compared to a conventional SIW horn and adding radiation slots significantly improves the gain of the antenna. The simulation results shows that the proposed antenna in this paper covers the frequency range of 27.2 GHz to 28.3 GHz and its gain changes between 10.1 dBi to 15.3 dBi with 98% radiation efficiency in this range. Finally, in order to increase the gain of the antenna, a two-dimensional array of the proposed antenna with suitable feeding structure is designed in the H-plane.
[1] G. Q. Luo, W. Hong, et al., "Dualband frequency selective surfaces using substrate integrated waveguide technology," IET Microw. Antennas and Propag., vol. 1, no. 2, pp. 408-413, Apr. 2007.
[2] B. Liu, W. Hong, and Z. Kuai, "Substrate integrated waveguide (SIW) monopulse slot antenna array," IEEE Trans. Antenna Propag., vol. 57, no. 1, pp. 275-279, Jan. 2009.
[3] S. H. Haghirosadat, Design and Simulation of H-Plane Horn Antenna Using Empty Substrate Integrated Waveguide Technology to Improve Radiation Characteristics, MSc. Disertation Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran, 2020.
[4] A. Belenguer, H. Estebanm, A. L. Borja, and V. E. Boria, "Empty SIW technologies," IEEE Microwave Magazine, vol. 20, no. 3, pp. 24-45, Mar. 2019.
[5] A. Belenguer, H. Eseban, and V. E. Boria, "Novel empty substrate integrated waveguide for high-performance microwave integrated circuits," IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 62, no. 4, pp. 832-839, Apr. 2014.
[6] A. A. Khan, M. K. Mandal, and R. Shaw, "Compact and wideband SMA connector to empty substrate integrated waveguide (ESIW) transition," in Proc. IEEE Int. Microwave and RF Conf. , IMaRC’15, pp. 246-248, Hyderabad, India, 10-12 Dec. 2015.
[7] C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, 4 ed, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2016.
[8] A. Kumar, N. Muchhal, A. Chakraborty, and S. Srivastava, "Analysis of empty substrate integrate waveguide H-plane horn antenna for K band application," In: Rawat, B., Trivedi, A., Manhas, S., Karwal, V. (eds) Advances in Signal Processing and Communication . Lecture Notes in Electrical Engineering, vol. 526, pp. 95-106, Springer, Singapore, 2019.
[9] Z. Qi, X. Li, J. Xiao, and H. Zhu, "Dielectric-slab-loaded hollow substrate-integrated-waveguide H-plane horn antenna array at Ka-band," IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters, vol. 18, no. 9, pp. 1751-1755, Sept.. 2019.
[10] H. Jamshidi-Zarmehri and M. H. Neshati, "Design and development of high-gain SIW H-plane horn antenna loaded with waveguide, dipole array, and reflector nails using thin substrate," IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 67, no. 4, pp. 2813-2818, Apr. 2019.
[11] S. H. Haghirosadat and M. H. Neshati, "Development a wideband ESIW H-plane horn antenna with improved radiation performance," in Proc. 28th Iranian Conf. on Electrical Engineering, ICEE’20, 5 pp., Tabriz, Iran, 4-6 Aug. 2020.
[12] M. M. Paraastoo, S. Mohammad-AliNezhad, and S. Saviz, "Field-matching at the compact SIW horn antenna aperture using genetic algorithm," Int J. Numer Model El, vol. 33, no. 5, pp. 1-10, Sept. 2020.
[13] E. Rahimi and M. H. Neshati, "Development of an enhanced substrate integrated waveguide H-plane horn antenna using thin substrate," IJE Trans. B: Applications, vol. 29, no. 8, pp. 1062-1067, Aug. 2016.
[14] F. Ishihara and S. Iiguch, "Equivalent characteristic impedance formula of waveguide and its applications," Electrical and Communications in Japan, vol. 75, no. 5, pp. 54-66, Jan. 1992.
[15] Y. Cai, Y. Zhang, and L. Wang, "Design of compact air-vias perforated SIW horn antenna with partially detached broad walls," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 64, no. 6, pp. 2100-2107, Jun. 2016.
[16] M. Reshadatmand, H. R. Hassani, and S. M. A. Nezhad, "A compact wideband dielectric loaded H-plane sectoral ridged SIW horn antenna," Advanced Electromagnetics, vol. 9, no. 2, pp. 1-6, 28 Aug. 2020.
[17] Y. Yin, B. Zarghooni, and K. Wu, "A compact substrate integrated waveguide circularly polarized horn antenna" in ¬Proc. IEEE Int. Symp. on Antennas and Propagation, ISAP’16, pp. 394-395, Okinawa, Japan, 24-28 Oct. 2016.
[18] H. Kumar and G. Kumar, "Cavity backed substrate integrated waveguide horn antenna with enhanced gain for 5G applications," in Proc. IEEE Indian Conf. on Antennas and Propogation, InCAP’18, 4 pp., Hyderabad, India, 16-19 Dec. 2018.
نشریه مهندسی برق و مهندسی كامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 20، شماره 3، پاییز 1401 195
مقاله پژوهشی
طراحی و شبیهسازی آنتن شیپوری ESIW صفحه H
با بهره بالا و پهنای باند بهبودیافته
سید حسین حقیرالسادات و محمدحسن نشاطی
چكیده: در این مقاله با استفاده از شکاف تشعشعی، الگوی تابشی آنتن شیپوری SIW صفحه H با کاهش پهنای پرتو نیم‌توان در صفحه E بهبود یافته است. این شکاف‌ها می‌توانند علاوه بر حفظ ابعاد ساختار، تأثیر بسزایی بر روی مشخصات آنتن داشته باشند. قرارگرفتن صفحه بازتابنده در فواصل مناسبی از دهانه و شکاف‌ها نیز منجر به بهبود سطح پرتوهای فرعی و تشعشع آنتن در جهت معکوس می‌شود. سپس برای بهبود تطبیق امپدانس و افزایش پهنای
باند امپدانسی آنتن، دی‌الکتریک ساختار به طور کامل حذف گردیده و شکاف‌های غیر تشعشعی در صفحه‌های بالا و پایین به آنتن اضافه می‌شوند. حذف عایق باعث افزایش پهنای باند آنتن نسبت به پهنای باند آنتن معمولی شیپوری SIW شده و اضافه‌کردن شکاف‌های تشعشعی، بهره آنتن را نیز بهبود قابل ملاحظه‌ای می‌دهد. نتایج حاصل از شبیهسازی نشان می‌دهند که آنتن پیشنهادی این مقاله، محدوده فرکانسی GHz 2/27 تا GHz 3/28 را پوشش داده و بهره آن نیز در این بازه بین dBi 1/10 تا dBi 3/15 با بازده تشعشعی 98% تغییر می‌کند. در انتها به منظور افزایش بهره آنتن، یک آرایه دوبعدی از آنتن پیشنهادی در صفحه H با ساختار تغذیه مناسب طراحی شده است.
کلیدواژه: آنتن شیپوری، موجبر مجتمع‌شده در زیرلایه، شكاف تشعشعی، شکاف غیر تشعشعی، صفحه بازتابنده.
1- مقدمه
برای اولین بار در سال 2000 میلادی، خط انتقال جدیدی به نام موجبر مجتمع‌شده در زیرلایه 2(SIW) برای کار در فرکانس‌های مایکروویو و امواج میلی‌متری معرفی شده است. این نوع موجبر، تلفیقی از خط انتقال ریزنوار3 و موجبر فلزی است. این ترکیب به گونه‌ای است که مزایای این دو خط انتقال در ساختار نهایی لحاظ و معایب آنها نیز حذف شده باشد. موجبر SIW از لحاظ ظاهری مانند یک خط ریزنوار است و ساختاری مسطح دارد و همچنین مانند موجبر فلزی عمل می‌کند. کاربرد عمده این خط انتقال در طراحی آنتنها و ادوات مایکروویوی از جمله مقسم توان، دوپلكسر، تزویج‌کننده جهتی و موارد دیگر است [1] و [2]. امروزه انواع مختلفی از خانواده این موجبرها معرفی و استفاده شده‌اند و هر یک ویژگی‌های خاصی را دارا هستند. روش جدید در طراحی موجبرهای مسطح، فناوری موجبر مجتمع‌شده با زیرلایه بدون عایق 4(ESIW) است که در آن بخش عمده‌ای از دی‌الكتریک ساختار به طور کامل حذف می‌شود. استفاده از این نوع SIW در عمل باعث کاهش تلفات موجبر شده و بازده انتقال را افزایش می‌دهد. در آنتنهای پیاده‌سازی شده با این فناوری نیز مشخصات تشعشعی نسبت به نمونه معمولی مشابه SIW بهبود می‌یابند [3] تا [6].
آنتنهای شیپوری از پرکاربردترین آنتنها در محدوده فرکانس‌های مایکروویو و امواج میلی‌متری هستند. دارابودن مزایایی از جمله بهره نسبتاً بالا، پهنای باند زیاد و الگوی تشعشعی متقارن باعث شده که طراحی و بهینه‌سازی مشخصات تشعشعی این آنتنها همواره مورد توجه قرار داشته باشد. آنتنهای شیپوری به طور گسترده‌ای در زمینه تغذیه آنتنهای بازتابنده، ردیابی ماهواره‌ها و سیستم‌های مخابراتی کاربرد دارند [7]. به کمک فناوری SIW می‌توان موجبری را چنان طراحی کرد که علاوه بر مسطح‌بودن، تمام خصوصیات یک موجبر معمولی فلزی را داشته باشد. بر این اساس می‌توان برخی از آنتنها که بخش اصلی آنها را یک موجبر تشكیل می‌دهد، با استفاده از فناوری SIW پیاده‌سازی کرد. به همین جهت طراحی آنتن شیپوری صفحه H که از طریق بازشدن دهانه موجبر مستطیلی در جهت میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود، با فرایند SIW امكان‌پذیر است. در این صورت ساختار حجیم آنتن شیپوری با حفظ مشخصات تشعشعی، به ساختاری صفحه‌ای تبدیل می‌شود [3].
الگوی تشعشعی پهن در صفحه E و پهنای باند فرکانسی محدود، از معایب اصلی آنتن شیپوری با فناوری SIW می‌باشد [7]. تا کنون پژوهش‌های زیادی در زمینه بهبود مشخصات این آنتنها انجام شده است. در [8] برای شرایط کاملاً یكسان، پارامترهای پراکندگی و تشعشعی یک آنتن شیپوری صفحه H مبتنی بر دو فناوری SIW و ESIW با هم مقایسه شده‌اند. حذف دی‌الكتریک درون ناحیه شیپوری آنتن باعث بهبود تطبیق امپدانس و افزایش بهره در فرکانس کاری شده است. هرچند بارگذاری دی‌الکتریک در انتهای آنتن شیپوری توخالی، منجر به بهبود بهره شده است؛ اما این روش می‌تواند بازده تشعشعی را به طور محسوسی کاهش دهد [9]. در [10] برای بهبود الگوی تشعشعی آنتن در صفحه E از دوقطبی‌های الکتریکی در دهانه ساختار استفاده شده است. در واقع تشعشعات حاصل از دهانه و تشعشع دوقطبی‌های الکتریکی ساختار با نسبت مناسبی با یکدیگر ترکیب شده، به طوری که بهره آنتن در فرکانس کاری نسبت به آنتن شیپوری معمولی افزایش قابل ملاحظه‌ای دارد. پیاده‌سازی آنتن شیپوری با تکنولوژی ESIW در [11] منجر به بهبود
[1] این مقاله در تاریخ 13 شهریور ماه 1400 دریافت و در تاریخ 18 اردیبهشت ماه 1401 بازنگری شد.
سید حسین حقیرالسادات، فارغ‌التحصیل رشته مهندسی برق- مخابرات، گرایش میدان و امواج، گروه مهندسی برق، دانشگاه مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران، (email: haghirosadat.toranjii@gmail.com).
محمدحسن نشاطی (نویسنده مسئول)، گروه مهندسی برق، دانشگاه مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران، (email: neshat@um.ac.ir).
[2] . Substrate Integrated Waveguide
[3] . Microstrip Line
[4] . Empty Substrate Integrated Waveguide
شكل 1: مراحل طراحی آنتن پیشنهادی به همراه نتایج به دست آمده در هر بخش.
مشخصات تشعشعی شده و استفاده از شکاف غیر تشعشعی در ناحیه موجبری این آنتن، پهنای باند فرکانسی را بیش از شش برابر افزایش داده است. در [12] با پیكسل‌بندی سطوح بالا و پایین آنتن شیپوری و حذف فلز مس در بعضی از این پیكسل‌ها بر اساس الگوریتم ژنتیک، برخی از مشخصات تشعشعی نظیر بهره و نسبت تشعشع در جهت مستقیم به تشعشع در جهت معکوس بهبود یافته‌اند. همچنین استفاده از صفحه بازتابنده در دهانه شیپوری آنتن موجب بهبود الگوی تشعشعی آنتن شیپوری از طریق کاهش سطح پرتوهای جانبی 1(SLL) و بهبود FTBR شده است [13].
در این مقاله، مشخصات تشعشعی آنتن شیپوری صفحه H در مراحل مختلفی به صورت مجزا بهبود می‌یابد. به طور کلی در آنتنهای شیپوری معمولی، تشعشع تنها از طریق دهانه آنتن صورت می‌گیرد. اضافه‌کردن شکاف‌های تشعشعی با طول و محل مناسب روی صفحات آنتن شیپوری، باعث می‌شود که تشعشع حاصل از شکاف‌ها با تشعشع مربوط به دهانه ساختار ترکیب شده و در نتیجه مشخصات آنتن بهبود پیدا کند. نشان داده می‌شود که شکاف‌های اضافه‌شده می‌توانند در مجموع پهنای پرتو نیم‌توان 2(HPBW) را در صفحه E، 66 درجه و در صفحه H، 22 درجه کاهش دهند. همچنین صفحه بازتابنده در فاصله مناسب از دهانه تشعشعی آنتن قرار داده شده تا FTBR و سطح پرتو فرعی بهبود پیدا کنند و نهایتاً بهره آنتن افزایش یابد. علاوه بر این، حذف دی‌الکتریک ساختار در ناحیه موجبری و ناحیه بازشدگی آنتن شیپوری منجر به افزایش 8/1 برابری پهنای باند فرکانسی آنتن نسبت به یک آنتن شیپوری SIW با شکاف‌های تشعشعی می‌شود. شکاف‌های غیر تشعشعی نیز با قرارگیری در مکانی مناسب توانسته‌اند که پهنای باند فرکانسی آنتن را به بیشتر از 5/2 برابر افزایش دهند. در انتهای این مقاله به منظور کاهش HPBW در صفحه H، یک آرایه دوعنصری از آنتن پیشنهادی در این صفحه طراحی و شبیهسازی شده است. تمامی طراحی‌ها و شبیه‌سازی‌های مربوط به آنتن جدید پیشنهادی این مقاله با استفاده از نرم‌افزار HFSS انجام شده و
به منظور افزایش اطمینان و بالابردن دقت شبیهسازی، نتایج حاصل با استفاده از نرم‌افزار CST Studio Suit نیز صحت‌سنجی شده است.
2- ساختار آنتن پیشنهادی
شکل 1 مراحل طراحی آنتن پیشنهادی را به همراه اهداف طراحی هر مرحله به صورت خلاصه نشان می‌دهد. در بخش اول، آنتن معمولی شیپوری SIW صفحه H به عنوان آنتن مرجع با ابعاد مناسب در محدوده فرکانسی GHz 28 طراحی و شبیهسازی می‌شود. در مرحله بعد با اضافه‌کردن شکاف‌های تشعشعی در صفحه بالایی و پایینی ساختار، بهره آنتن افزایش می‌یابد. سپس با اضافه‌کردن صفحه بازتابنده به ضخامت mm 5/0، سایر مشخصات تشعشعی آنتن بهبود پیدا می‌کند. در ادامه به منظور بهبود تطبیق امپدانس و افزایش پهنای باند فرکانسی، دی‌الکتریک ساختار به طور کامل حذف شده و شکاف‌های غیر تشعشعی به آنتن اضافه می‌شوند. در انتها نیز یک آرایه دوبعدی از آنتن پیشنهادی در صفحه H طراحی شده است.
شكل 2: آنتن معمولی شیپوری SIW صفحه H، 
، 
، 
، 
، 
، 
، 
، 
و 
.
شكل 3: تغییرات 
و بهره آنتن مرجع بر حسب فرکانس.
2-1 آنتن معمولی شیپوری SIW صفحه H
شکل 2 ساختار هندسی آنتن معمولی شیپوری SIW صفحه H را به عنوان آنتن مرجع نشان می‌دهد. این آنتن بر روی زیرلایه 062TLY با ضخامت mm 578/1، ثابت دی‌الکتریک 2/2 و تانژانت تلفات 001/0 طراحی شده است.
شكل 3 تغییرات پارامتر 
و بهره آنتن را بر حسب فرکانس نشان می‌دهد. این آنتن در فرکانس GHz 8/27 با حداکثر بهره dBi 45/6 کار می‌کند. الگوی تشعشعی شبیهسازی شده آنتن در دو صفحه E و H نیز در شکل 4 مشاهده می‌شود. پهنای پرتو نیم‌توان این آنتن در صفحه E، 119 درجه و در صفحه H، 44 درجه است. بالابودن HPBW در دو صفحه E و H، مقادیر نامناسب FTBR و SLL و پهنای باند فرکانسی کم از مشکلات عمده این آنتن است.
برای آنتن معمولی شیپوری SIW صفحه H، تشعشع از طریق دهانه آنتن صورت می‌گیرد. از آنجایی که آنتن شیپوری با فناوری SIW در صفحه H پیاده‌سازی می‌شود، لذا الگوی تشعشعی آنتن در این صفحه از طریق تغییر ابعاد دهانه قابل کنترل است. اما الگوی تشعشعی این آنتن در صفحه E قابل کنترل نیست و HPBW زیادی دارد.
2-2 اضافه‌کردن شکاف‌های تشعشعی
شکل 5 یک آنتن شکاف‌دار و میدان‌های تشعشع‌یافته از آن را نشان می‌دهد. بنا بر اصل بابینت، دوقطبی مغناطیسی دوگان دوقطبی الکتریکی است. بر این اساس، میدان‌های الکتریکی ناشی از دوقطبی‌های مغناطیسی همواره در راستای عرض شکاف و میدان‌های مغناطیسی نیز در راستای طول شکاف در حال تغییر هستند [7].
شكل 4: الگوی تشعشعی آنتن مرجع شیپوری در دو صفحه E و H.
شكل 5: آنتن شکاف‌دار و میدان‌های تشعشع‌یافته آن.
زمانی که شکاف‌های تشعشعی بر روی آنتن شیپوری SIW اضافه می‌شوند، تشعشع ساختار، علاوه بر دهانه از شکاف‌ها نیز انجام می‌گیرد. در واقع لازم است که تشعشعات حاصل از دهانه و شکاف‌های تشعشعی با دامنه و فاز مناسب با هم ترکیب شوند تا مشخصات تشعشعی آنتن در دو صفحه E و H بهبود پیدا کند. از آنجایی که هدف در این مرحله، بهبود الگوی تابشی آنتن در صفحه E است، پس بهتر است که این صفحه برای دهانه و شکاف‌های تشعشعی مشترک باشد. بر همین اساس، طبق شکل 2 تمامی شکاف‌ها در صفحه 
به صورت عرضی انتخاب می‌شوند.
به منظور این که تأثیر شکاف‌های تشعشعی بر روی الگوی تابشی آنتن نسبت به دهانه به صورت کاملاً مجزا بررسی شود، در محیط شبیهسازی، دهانه تشعشعی آنتن شیپوری به طور کامل با سطح فلزی مسدود شده و با اضافه‌کردن شکاف‌ها، تشعشع آنها بررسی می‌شود. از آنجا که قرار است شکاف‌ها در فرکانس تشدید آنتن از نوع تشعشعی باشند، پس لازم است که طول آنها 
نصف طول موج و مطابق (1) تعیین شود [7] که در آن 
طول موج، 
ثابت دی‌الکتریک، 
فرکانس کاری آنتن، 
سرعت نور فضای آزاد و 
عرض موجبر تغذیه است
(1)
برای شروع این مرحله و انتخاب محل قرارگرفتن شکاف‌های تشعشعی بر روی آنتن، لازم است که توزیع جریان سطحی آنتن بررسی شود. بر این اساس می‌توان بهترین مکان‌ها را برای ایجاد شکاف‌های تشعشعی انتخاب نمود. شکل 6 توزیع جریان سطحی را قبل از ایجاد شکاف‌های تشعشعی به همراه مکان‌های پیشنهادی برای شکاف‌ها نشان می‌دهد. طبق این شکل، مکان‌های پیشنهادی برای شکاف‌ها در نقاطی است که توزیع جریان سطحی در آنجا نسبتاً ضعیف‌تر است. با قرارگرفتن شکاف‌ها در مراکز تجمع جریان سطحی، بیشتر توان موجود از محل این شکاف‌ها
[1] . Side Lobe Level
[2] . Half Power Beam Width
شكل 6: توزیع جریان سطحی در فرکانس مرکزی آنتن، قبل از ایجاد شکاف‌های تشعشعی به همراه مکان‌های پیشنهادی برای شکاف‌ها.
(الف) (ب)
شكل 7: الگوی تشعشعی آنتن شیپوری با شکاف تشعشعی اول در فرکانس کاری، (الف) صفحه 
و (ب) صفحه 
.
تشعشع یافته و توان رسیده به دهانه تشعشعی کاهش می‌یابد. در این صورت، شکاف‌ها باعث کاهش تأثیر دهانه تشعشعی در الگوی تابشی آنتن خواهند شد. پس بر این اساس لازم است تا شکاف‌ها در نقاطی قرار بگیرند که توزیع جریان سطحی ضعیف است. در ادامه تأثیر هر کدام از شکاف‌های تشعشعی بر روی الگوی تابشی آنتن به صورت جداگانه بررسی خواهد شد. بر اساس بهینه‌سازی‌های انجام‌شده، بهترین نتیجه از نظر بهره آنتن زمانی حاصل می‌شود که طول شکاف‌های تشعشعی mm 5/4 انتخاب شود.
2-2-1 شکاف تشعشعی اول
در این قسمت با ایجاد اولین شکاف تشعشعی در مکان پیشنهادی، مشخصات آنتن بررسی می‌شود. باید توجه داشت که دهانه آنتن کاملاً مسدود است و تشعشع تنها از طریق شکاف اول انجام می‌گیرد. از آنجایی که آنتن شیپوری دارای الگویی متقارن در صفحه E است، لازم است که شکاف‌ها به صورت متقارن در صفحات بالایی و پایینی ساختار قرار گیرند. شکل 7 الگوی تشعشعی آنتن را در فرکانس مرکزی در دو صفحه E و
H و بعد از اضافه‌شدن شکاف تشعشعی اول نشان می‌دهد. بر اساس
این شکل، با اضافه‌شدن این شکاف، راستای اصلی تشعشع نسبت به یک آنتن شیپوری معمولی 90 درجه به سمت عقب چرخیده و در جهت Broadside، محور 
، تشعشع می‌کند. بنابراین لازم است که برای بهبود مشخصات آنتن، با ایجاد شکاف‌های بیشتر راستای اصلی تشعشع در جهت Endfire، محور 
، تغییر کند.
2-2-2 شکاف‌های تشعشعی دوم و سوم
شکاف‌های دوم و سوم به صورت کاملاً متقارن نسبت به محور 
در
(الف) (ب)
شكل 8: الگوی تشعشعی آنتن شیپوری با شکاف‌های تشعشعی دوم و سوم در فرکانس کاری، (الف) صفحه و (ب) صفحه .
فاصله مناسب از شکاف اول در صفحات بالایی و پایینی آنتن قرار گرفته‌اند. در واقع با ترکیب مناسب پرتوهای جانبی حاصل از شکاف‌های اول تا سوم، راستای اصلی تشعشع از محور به محور منتقل می‌شود. شکل 8 الگوی تشعشعی آنتن را در صفحات E و H بعد از اضافه‌شدن شکاف‌های دوم و سوم در فرکانس کاری نشان می‌دهد.
2-2-3 ترکیب تشعشعات حاصل از دهانه و شکاف‌های تشعشعی
در این بخش، تشعشع حاصل از دهانه و شکاف‌های تشعشعی با هم ترکیب شده و الگوی تابشی نهایی به دست می‌آید. زمانی که تشعشع تنها از طریق دهانه آنتن صورت می‌گیرد، پهنای پرتو نیم‌توان در دو صفحه E و H بسیار بزرگ است. با مسدودکردن دهانه و ایجاد شکاف‌های تشعشعی، پهنای پرتو نیم‌توان آنتن در دو صفحه E و H به شدت کاهش پیدا می‌کند؛ اما SLL و FTBR مقادیر مناسبی ندارند. بنابراین دهانه و شکاف‌های تشعشعی به تنهایی دارای مزایا و معایبی برای الگوی تابشی آنتن هستند و ترکیب این دو المان می‌تواند مزایای آنها را حفظ و معایب ساختار را حذف کند. شکل 9 تغییرات و بهره آنتن شیپوری را با شکاف‌های تشعشعی بر حسب فرکانس نشان می‌دهد. آنتن در فرکانس GHz 4/27 با حداکثر بهره dBi 8/11 کار می‌کند که نسبت به آنتن شیپوری معمولی، مقدار بهره dBi 4/5 افزایش یافته است. شکل 10 نیز الگوی تشعشعی این آنتن را در دو صفحه E و H در فرکانس کاری نشان می‌دهد. بر اساس این شکل، پهنای پرتو نیم‌توان آنتن با ایجاد شکاف‌های تشعشعی در صفحه E، 66 درجه و در صفحه H، 22 درجه نسبت به یک آنتن شیپوری معمولی کاهش یافته است. SLL نیز در وضعیت مناسبی قرار دارد، اما تشعشع در جهت معکوس زیاد و FTBR مقدار کمی است.
شكل 9: تغییرات و بهره آنتن شیپوری SIW صفحه H با شکاف‌های تشعشعی بر حسب فرکانس.
(الف) (ب)
شكل 10: الگوی تشعشعی آنتن شیپوری SIW با شکاف‌های تشعشعی در فرکانس کاری، (الف) صفحه E و (ب) صفحه H.
جدول 1: تعیین فاصله صفحه بازتابنده از دهانه آنتن
به ازای دهانه تشعشعی، شکاف‌های اول تا سوم.
فاصله از دهانه (mm) | فاصله از المان تشعشعی (mm) | المان‌های تشعشعی |
8/5 |
| شکاف‌ها |
9/10 |
| دهانه |
2-3 اضافه‌کردن صفحه بازتابنده
آنتن پیشنهادی دارای تشعشع زیادی در جهت معکوس است. این مطلب باعث می‌شود که علی‌رغم باریک‌بودن پهنای پرتو نیم‌توان و وضعیت مناسب SLL در هر دو صفحه E و H، بهره آنتن مقدار کمی باشد. استفاده از یک صفحه بازتابنده حوالی دهانه تشعشعی آنتن موجب بهبود FTBR و SLL می‌شود. در این بخش نیز می‌توان با استفاده از این روش، مشخصات تشعشعی آنتن را بهبود داد.
یکی از نکات مهم که باید به آن دقت کرد، محل قرارگرفتن صفحه بازتابنده است. در [13]، این صفحه در دهانه آنتن قرار داده شده است؛
اما در این طراحی با وجود شکاف‌های تشعشعی، امکان پیاده‌سازی این صفحه در دهانه آنتن امکان‌پذیر نیست. زیرا زمانی که این صفحه در دهانه آنتن قرار بگیرد، عملاً تأثیر شکاف‌های تشعشعی به طور کامل حذف خواهد شد. بنابرابن لازم است صفحه بازتابنده قبل از شکاف‌های تشعشعی قرار بگیرد. برای بررسی کامل ابعاد این موضوع، قبل از ایجاد شکاف‌های تشعشعی، تغییرات بهره به ازای فواصل مختلف صفحه بازتابنده از دهانه آنتن 
مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین مطابق بخش‌های قبل، با مسدودکردن دهانه آنتن، بهره به ازای فواصل مختلف صفحه بازتابنده از شکاف‌ها 
به دست آمده است. قابل ذکر است که این پارامترها 
، 
و 
این پارامترها مربوط به
(الف)
(ب)
شكل 11: تغییرات بهره به ازای فواصل مختلف صفحه بازتابنده با ارتفاع mm 8/7 در فرکانس GHz 4/27 از (الف) دهانه تشعشعی آنتن و (ب) شکاف‌های تشعشعی.
آنتن نهایی هستند (شكل 21). نتایج این بررسی‌ها در شکل 11 رسم شده است. مطابق این شکل، بهره آنتن در فواصل مختلف صفحه بازتابنده از دهانه و شکاف‌های تشعشعی به صورت متناوب تغییر می‌کند و دارای بیشینه و کمینه در بعضی از نقاط است. مطابق بررسی‌های انجام‌شده، در مکان‌هایی که بهره به شدت افت می‌کند، صفحه بازتابنده باعث افزایش سطح پرتوهای فرعی شده است. بنابراین هنگامی صفحه بازتابنده می‌تواند موجب بهبود مشخصات تشعشعی آنتن شود که فاصله آن از شکاف‌ها و دهانه تشعشعی بر اساس (2) و (3) تعیین شود
(2)
(3)
بر اساس روابط بالا، در آنتن شیپوری SIW صفحه H با شکاف‌های تشعشعی، صفحه بازتابنده باید در مکانی قرار بگیرد تا توانایی بهبود مشخصات تشعشعی حاصل از دهانه و شکاف‌ها را به طور هم‌زمان داشته باشد. بنابراین مطابق جدول 1، دو مکان برای صفحه بازتابنده به ازای دهانه تشعشعی و شکاف‌های اول تا سوم محاسبه شده است. طبق جدول، برای هر کدام از قسمت‌های تشعشعی آنتن، فاصله صفحه بازتابنده از دهانه به دست آمده است. بنابراین زمانی صفحه بازتابنده می‌تواند مفید ظاهر شود که فاصله آن از دهانه آنتن در بازه mm 8/5 تا mm 9/10 تغییر کند. شکل 12 تغییرات بهره آنتن را بر حسب فاصله صفحه بازتابنده از دهانه در بازه مطرح‌شده نشان می‌دهد. در این صورت بهترین مکان برای صفحه بازتابنده انتخاب می‌شود و زمانی که صفحه بازتابنده در آن محل قرار گیرد، بیشترین بهره حاصل می‌شود.
همان طور که در شکل 12 دیده می‌شود، بهره در 
به بیشترین مقدار خود می‌رسد. بنابراین صفحه بازتابنده در این نقطه بیشترین
شكل 12: تغییرات بهره آنتن شیپوری SIW صفحه H با شکاف‌های تشعشعی بر حسب فاصله صفحه بازتابنده از دهانه آنتن در فرکانس GHz 4/27.
شكل 13: تغییرات و بهره آنتن پیشنهادی با صفحه بازتابنده بر حسب فرکانس.
(الف) (ب)
شكل 14: الگوی تشعشعی آنتن، قبل و بعد از اضافه‌شدن صفحه بازتابنده، (الف) صفحه E و (ب) صفحه H.
تأثیر را بر روی پارامترهای تشعشعی آنتن خواهد گذاشت. تغییرات بهره نسبت به ارتفاع صفحه بازتابنده تا 
روند افزایشی دارد و بعد از آن تغییر خاصی در بهره ایجاد نخواهد شد. شکل 13 نیز تغییرات و بهره آنتن پیشنهادی را بر حسب فرکانس نشان می‌دهد. آنتن پیشنهادی در فرکانس GHz 4/27 با حداکثر بهره dBi 1/14 کار می‌کند. شکل 14 نیز الگوی تشعشعی این آنتن را قبل و بعد از اضافه‌شدن صفحه بازتابنده در دو صفحه E و H نشان می‌دهد. همان طور که در شکل دیده می‌شود، SLL در صفحه E، dB 8 و در صفحه H، dB 11 کاهش پیدا کرده است. همچنین تشعشع در جهت معکوس به شدت کم شده و FTBR نیز به اندازه dB 8 بهبود دارد. نهایتاً با اضافه‌شدن صفحه بازتابنده به آنتن، بهره dBi 3/2 افزایش می‌یابد. شکل 15 نمایی سه‌بعدی از آنتن پیشنهادی با صفحه بازتابنده را نشان می‌دهد.
2-4 حذف دی‌الکتریک ساختار
آنتن طراحی‌شده در بخش قبل دارای پهنای باند فرکانسی بسیار کمی
شكل 15: نمای سه‌بعدی آنتن پیشنهادی با صفحه بازتابنده.
شكل 16: نحوه طراحی آنتن مرجع با فناوری ESIW.
است. در این بخش برای اولین بار با حذف کامل دی‌الکتریک ساختار، پهنای باند فرکانسی آنتن بهبود می‌یابد. در این روش که فناوری موجبر مجتمع‌شده در زیرلایه فاقد عایق نام دارد، بخش عمده‌ای از دی‌الکتریک ساختار حذف شده و امواج الکترومغناطیس درون هوا منتشر می‌شوند. برای طراحی آنتن مرجع، مطابق شکل 16 ابعاد آنتن شیپوری صفحه H درون زیرلایه 1 برش داده شده و دیواره‌های جانبی و صفحات بالا و پایین برای محدودکردن موج متالیزه می‌شوند. در واقع محدودکردن موج با این روش موجب کاهش تلفات تشعشعی می‌شود. تغذیه این آنتن نیز مشابه آنتن SIW توسط یک کابل هم‌محور با شعاع داخلی 
و شعاع خارجی 
انجام می‌شود.
همان گونه که بیان شد، یکی از معایب آنتنهای شیپوری SIW پهنای باند فرکانسی محدود است. به طور کلی، رابطه (4) یک تقریب بسیار خوب برای امپدانس مشخصه ساختارهای SIW و مُد اصلی 
است که در آن 
عدد موج، 
امپدانس محیط، 
ضخامت زیرلایه، 
ثابت انتشار، 
فرکانس قطع موجبر و 
عرض ساختار SIW است [14]
(4)
اختلاف زیاد میان امپدانس مشخصه ساختار SIW و امپدانس فضای آزاد (Ω 377) در دهانه آنتن منجر به کاهش پهنای باند فرکانسی می‌شود.
از آنجا که در فناوری ESIW دی‌الکتریک ساختار حذف می‌شود، 
افزایش می‌یابد و به امپدانس فضای آزاد نزدیک می‌شود [15]. به همین علت استفاده از فناوری ESIW به جای SIW منجر به افزایش پهنای باند فرکانسی خواهد شد.
با توجه به حذف عایق در این قسمت، طول شکاف‌ها و مکان قرارگرفتن آنها نسبت به بخش قبل کمی تغییر کرده است، ولی آرایش قرارگرفتن آنها ثابت مانده است. در شکل 17 تغییرات آنتنهای
شكل 17: مقایسه تغییرات دو آنتن طراحی‌شده با فناوری‌های SIW و ESIW.
جدول 2: ابعاد آنتن پیشنهادی با فناوری ESIW (کلیه پارامترها بر حسب میلی‌متر است).
مقدار | پارامتر | ساختار | مقدار | پارامتر | ساختار |
3 |
| شکاف‌های غیر تشعشعی | 6/7 |
| SIW |
5/2 |
| 26 |
| ||
9/2 |
| 9 |
| ||
12 |
| 4/15 |
| ||
8/8 |
| 2/4 |
| ||
8/7 |
| صفحه بازتابنده | 5/4 |
| شکاف‌های تشعشعی |
29 |
| 7/3 |
| ||
3/9 |
| 4/3 |
|
جدول 3: مقایسه برخی از مشخصات هر دو آنتن پیشنهادی با فناوری SIW و ESIW در مراحل مختلف طراحی و در فرکانس کاری آنها.
SIW | پارامترها | ||||
شکاف‌های تشعشعی/ صفحه بازتابنده/ شکاف‌های غیر تشعشعی | شکاف‌های تشعشعی/ صفحه بازتابنده | معمولی | شکاف‌های تشعشعی/ صفحه بازتابنده | معمولی | |
96/3 | 45/1 | 8/2 | 78/0 | 22/1 | پهنای باند فرکانسی (%) |
5/27 | 5/27 | 7/28 | 4/27 | 8/27 | فرکانس کاری (GHz) |
3/15 | 15 | 6/8 | 1/14 | 4/6 | بهره (dBi) |
45 | 44 | 107 | 53 | 119 | HPBWE (degree) |
20 | 21 | 21 | 22 | 44 | HPBWH (degree) |
4/16- | 3/23- | 5/12- | 1/25- | 7/16- | SLLH (dB) |
1/14 | 2/10 | 6/4 | 25/11 | 5/5 | FTBR (dB) |
پیشنهادی با فناوری SIW و ESIW بر حسب فرکانس مقایسه شده‌اند. لازم به ذکر است که در این مقایسه هر دو آنتن با شکاف‌های تشعشعی و صفحه بازتابنده خود ظاهر شده‌اند.
2-5 اضافه‌کردن شکاف‌های غیر تشعشعی
مطابق شكل 17، پهنای باند فرکانسی آنتن پیشنهادی با فناوری ESIW نسبت به نمونه SIW خود تقریباً دو برابر شده و تطبیق امپدانس در بازه فرکانسی GHz 8/27 تا GHz 5/28 افزایش یافته است. یکی از راه‌های افزایش پهنای باند فرکانسی آنتن شیپوری ESIW صفحه H، ایجاد شکاف‌های غیر تشعشعی به ساختار است. بنابراین لازم است طول این شکاف‌ها کمتر از نصف طول موج انتخاب شده و مکان قرارگرفتن آنها نیز مطابق توزیع جریان سطحی تعیین شود [11].
به منظور یافتن مکان مناسب برای شکاف‌های غیر تشعشعی، توزیع جریان سطحی آنتن در فرکانس‌های GHz 5/27 و GHz 25/28 به همراه محل‌های پیشنهادی برای این شکاف‌ها در شکل 18 قابل مشاهده است. بر اساس این شکل، در ابتدای ناحیه بازشدگی آنتن و همچنین قبل از شکاف‌های تشعشعی اول تا سوم، جریان سطحی دارای توزیع نسبتاً مناسبی است. بنابراین می‌توان با ایجاد شکاف‌های غیر تشعشعی چهارم تا ششم در این نواحی، علاوه بر بهبود تطبیق امپدانس در پهنای باند موجود، یک باند فرکانسی دیگر در بازه GHz 28 تا GHz 5/28 به مشخصات آنتن اضافه نمود.
شکل 19 و شکل 20 به ترتیب تغییرات و بهره آنتن پیشنهادی با فناوری ESIW را بر حسب فرکانس بر اساس خروجی نرم‌افزارهای HFSS و CST نشان می‌دهند.
مطابق این دو شکل، آنتن پیشنهادی دارای مشخصات بهتری نسبت به نمونه SIW با عایق است. در واقع ترکیب شکاف‌های تشعشعی و
غیر تشعشعی در این بخش باعث شده که علاوه بر مشخصات تابشی، پهنای باند فرکانسی آنتن نیز بهبود پیدا کند. از آنجایی که شکاف‌های اول تا سوم صرفاً برای بهبود مشخصات تشعشعی آنتن در باند فرکانسی اول طراحی شده‌اند، لذا میزان بهره در این باند نسبت به باند دوم بیشتر خواهد بود. نهایتاً این آنتن محدوده فرکانسی GHz 2/27 تا GHz 3/28 را پوشش داده و بهره آن در این بازه بین dBi 1/10 تا dBi 3/15 تغییر می‌کند.
شکل 21 ساختار هندسی آنتن پیشنهادی را به همراه تمامی پارامترهای اساسی آن نشان می‌دهد و در جدول 2 ابعاد آنتن پیشنهادی با فناوری ESIW آمده است. در این جدول، 
طول تمامی شکاف‌های تشعشعی و 
طول تمامی شکاف‌های غیر تشعشعی می‌باشد. همچنین عرض تمامی شکاف‌ها یکسان و mm 5/0 انتخاب شده است.
به منظور بررسی هر کدام از تکنیک‌های ایجادشده بر روی مشخصات آنتن پیشنهادی، جدول 3 برخی از پارامترهای مهم آنتن طراحی‌شده را در مراحل مختلف نشان می‌دهد. بر اساس این جدول، مشخصات آنتن در
دو بخش SIW و ESIW بررسی شده که تنها تفاوت این دو ساختار در حضور یا عدم حضور عایق و همچنین شکاف‌های غیر تشعشعی می‌باشد. این جدول به طور کلی تأثیرات مثبت شکاف‌های تشعشعی، صفحه بازتابنده، حذف دی‌الکتریک و شکاف‌های غیر تشعشعی را بر مشخصات آنتن پیشنهادی نشان می‌دهد.
شكل 18: توزیع جریان سطحی قبل از ایجاد شکاف‌های غیر تشعشعی به همراه مکان‌های پیشنهادی برای شکاف‌ها، (الف) فرکانس GHz 5/27 و (ب) فرکانس GHz 25/28.
شكل 19: تغییرات آنتن پیشنهادی با نرم‌افزارهای HFSS و CST.
شكل 20: تغییرات بهره آنتن پیشنهادی با نرم‌افزارهای HFSS و CST.
2-6 آرایه خطی دوعنصری آنتن پیشنهادی با فناوری ESIW
یکی از راه‌های بالابردن بهره در آنتنهای شیپوری، آرایه‌سازی عناصر تشعشع‌کننده است. آرایه‌کردن در کنار بهبود مشخصات تشعشعی آنتنها، مشکلاتی از قبیل پیچیدگی در طراحی، بالارفتن هزینه‌ها برای ساخت و همچنین بزرگ‌شدن ابعاد ساختار را در پی خواهد داشت. در این قسمت سعی شده كه آنتن پیشنهادی به صورت یک آرایه خطی دوعنصری در صفحه H پیاده‌سازی شود. در این صورت با ترکیب تشعشعات حاصل از این دو آنتن، مشخصات تشعشعی نسبت به حالت تک‌عنصری بهبود
شكل 21: ساختار آنتن پیشنهادی با فناوری ESIW.
شكل 22: ساختار آرایه دوعنصری آنتن پیشنهادی با فناوری ESIW.
می‌یابد. شکل 22 ساختار آرایه دوعنصری آنتن پیشنهادی را نشان می‌دهد. بر اساس این شکل، آنتن ارائه‌شده در این قسمت از یک مقسم توان T، دو عدد آنتن شیپوری ESIW صفحه H با شکاف‌های تشعشعی و غیر تشعشعی، صفحه بازتابنده و سه عدد پین تشکیل شده است. جدول 4 نیز ابعاد این آنتن را نشان می‌دهد.
شكل 23: مقسم توان T با فناوری ESIW.
شكل 24: تغییرات مقسم توان به ازای مقادیر مختلف 
.
لازم به ذکر است که ابعاد آنتن شیپوری ESIW صفحه H به همراه شکاف‌های تشعشعی و غیر تشعشعی و صفحه بازتابنده مشابه حالت تک‌عنصری بوده و تغییری نکرده است. در ادامه، قسمت‌های مختلف ساختار بررسی شده و تأثیر هر کدام از آنها بر مشخصات آنتن آرایه‌ای ارائه خواهد شد.
2-6-1 معرفی ساختار تغذیه آرایه
یکی از موضوعات مهم در زمینه آرایه‌کردن آنتنها، استفاده از ساختار تغذیه مناسب می‌باشد. در حالت کلی لازم است که توان موجود با نسبت‌های مشخص بین تمامی اجزای آرایه تقسیم شود. مقسم توان T یکی از مبدل‌های سه‌دهانه‌ای است که توانایی تقسیم و یا ترکیب توان را دارد. از آنجا که قرار است آرایه‌کردن آنتن با فناوری ESIW انجام شود، لذا لازم است که شبکه تغذیه آن نیز با این فناوری پیاده‌سازی شود. شکل 23 یک مقسم توان T را به همراه دو خم 90 درجه با فناوری ESIW نشان می‌دهد. در واقع خم‌های 90 درجه وظیفه انتقال توان تقسیم‌شده از خروجی مقسم توان به ورودی آنتنها را دارند. در این شکل نیز یک پین با قطر 
و با فاصله 
از پورت اول دیده می‌شود. در دهانه ورودی مقسم توان، تغییرات تلفات بازگشتی در وضعیت مناسبی قرار ندارد، لذا این پین می‌تواند تأثیر بسزایی بر روی این پارامتر بگذارد.
شکل 24 تغییرات پارامتر مقسم توان طراحی‌شده را قبل و بعد از اضافه‌شدن پین اول به همراه مقادیر مختلف در دهانه ورودی بر حسب فرکانس نشان می‌دهد. بر اساس این شکل، قبل از اضافه‌شدن پین اول، پارامتر از وضعیت مناسبی برخوردار نبود. با اضافه‌شدن پین و تغییر فاصله آن، تلفات بازگشتی ساختار به مرور بهبود یافت و برای 
بهترین نتیجه به دست آمد.
شكل 25: تغییرات پارامترهای 
مقسم توان بعد از نهایی‌شدن ابعاد.
جدول 4: ابعاد آنتن آرایه با فناوری ESIW (کلیه پارامترها بر حسب میلی‌متر است).
مقدار | پارامتر | مقدار | پارامتر |
5/6 |
| 45/8 |
|
5/0 |
| 6/7 |
|
5 |
| 6/7 |
|
5/0 |
| 1/12 |
|
5 |
| 4/12 |
|
5/0 |
| 6/16 |
|
شکل 25 نیز تغییرات پارامترهای 
هر سه دهانه مقسم توان را بعد از نهایی‌شدن ابعاد بر حسب فرکانس نشان می‌دهد. با توجه به این شکل، توان رسیده به خروجی هر یک از پورت‌ها مساوی است و در این صورت ساختار برای تحریک آنتنها آماده می‌شود.
شکل 26 توزیع میدان الکتریکی را در فرکانس تشدید ساختار نشان می‌دهد و در نتیجه، تأثیر پین اول در تقسیم توان ورودی کاملاً مشهود است.
2-6-2 پین‌های دوم و سوم
بعد از طراحی ساختار تغذیه برای آنتن، امکان تحریک هر دو عنصر آرایه فراهم می‌شود. شکل 27 الگوی تشعشعی آنتن را در دو صفحه
E و H قبل از اضافه‌شدن پین‌های دوم و سوم در فرکانس کاری نشان می‌دهد. بر اساس این شکل، پهنای پرتو نیم‌توان آنتن در صفحه H بسیار باریک است، اما بزرگ‌بودن گلبرگ‌های فرعی و هم‌سطح بودن آنها با پرتوی اصلی در این صفحه باعث کاهش بهره آنتن آرایه در فرکانس کاری شده است. در واقع هر کدام از دو آنتن آرایه، یک پرتو جانبی نسبتاً بزرگ در صفحه H تولید می‌کنند که منجر به تضعیف مشخصات آنتن در این صفحه می‌شود. به همین منظور دو عدد پین به قطر mm 5/0 و به فاصله mm 5 از دهانه تشعشعی هر دو آنتن ایجاد شده‌اند. این دو عدد پین در مسیر پرتوهای جانبی قرار گرفته و می‌توانند تأثیر مخرب آنها را بر روی بهره آنتن خنثی کنند. شکل 28 الگوی تشعشعی آنتن آرایه در صفحه H را قبل و بعد از اضافه‌شدن پین‌های دوم و سوم در فرکانس کاری نشان می‌دهد.
با اضافه‌شدن پین‌های دوم و سوم به آنتن آرایه، پرتوهای جانبی تضعیف شده‌اند و به دو پرتو کوچک دیگر با سطح پایین تبدیل خواهند شد. استفاده از این روش می‌تواند با بهبود الگوی تشعشعی در صفحه H و ثابت‌ماندن آن در صفحه E باعث بهبود مشخصات تشعشعی نظیر بهره آنتن آرایه شود. نهایتاً با آرایه‌کردن آنتن، پهنای پرتو نیم‌توان در صفحه H نسبت به حالت تک‌عنصری، 10 درجه کاهش می‌یابد. شکل 29 تغییرات
شكل 26: توزیع میدان الکتریکی در فرکانس رزونانس مقسم توان T.
(الف) (ب)
شكل 27: الگوی تشعشعی آنتن آرایه، قبل از اضافه‌شدن پین‌های دوم و سوم، (الف) صفحه E و (ب) صفحه H.
شكل 28: الگوی تشعشعی آنتن آرایه در صفحه H، قبل و بعد از اضافه‌شدن پین‌های دوم و سوم.
و بهره آنتن آرایه دوعنصری با پین‌های دوم و سوم را بر حسب فرکانس نشان می‌دهد. با توجه به این شکل، آنتن طراحی‌شده محدوده فرکانسی GHz 1/28 تا GHz 2/29 را پوشش داده و بهره آن در این بازه بین dBi 15 تا dBi 5/17 تغییر می‌کند.
جدول 5 مشخصات آنتن پیشنهادی در این مقاله را با سایر پژوهش‌های انجام‌شده در زمینه بهبود مشخصات آنتن شیپوری SIW مورد مقایسه قرار داده است. همان طور که در این جدول دیده می‌شود، آنتن پیشنهادی نسبت به سایر آنتنها دارای بهره بیشتری بوده و پهنای باند فرکانسی آن نیز قابل قبول است. قابل ذکر است که در این جدول اعداد بیان‌شده نتایج شبیهسازی آنتنها هستند.
شكل 29: تغییرات و بهره آنتن آرایه دوعنصری با پین‌های دوم و سوم بر حسب فرکانس.
3- نتیجه‌گیری
در این مقاله با استفاده از شکاف‌های تشعشعی و غیر تشعشعی، مشخصات آنتن شیپوری SIW صفحه H بهبود یافته است. استفاده از آرایه‌های دوقطبی مغناطیسی در صفحات بالایی و پایینی آنتن علاوه بر حفظ ابعاد ساختار، HPBW را 66 درجه در صفحه E کاهش داده و بهره را افزایش می‌دهد. حذف دی‌الکتریک و اضافه‌شدن شکاف‌های غیر تشعشعی نیز موجب بهبود تطبیق و افزایش پهنای باند فرکانسی شده است. همچنین انتشار امواج در داخل ساختار فاقد عایق، می‌تواند به طور محسوسی تلفات دی‌الکتریک را کاهش داده و بازده تشعشعی را افزایش دهد. به طور کلی حذف عایق به همراه شکاف‌های غیر تشعشعی که طولی کمتر نسبت به شکاف‌های تشعشعی دارند، باعث می‌شوند پهنای باند فرکانسی آنتن با ثابت‌ماندن مشخصات تشعشعی آن، تا پنج برابر افزایش یابد. آنتن پیشنهادی در این مقاله بازه فرکانسی GHz 2/27 تا GHz 3/28 را با پهنای باند نسبی 96/3% و بازده تشعشعی 98% و همچنین ماکسیمم بهره dBi 3/15 پوشش می‌دهد. یک آرایه دوبعدی از آنتن پیشنهادی در صفحه E نیز طراحی و ارائه شده که موجب کاهش HPBW در صفحه H شده و بهره را به اندازه dBi 2/2 نسبت به آنتن تک‌عنصری افزایش داده است.
جدول 5: مقایسه مشخصات آنتنهای طراحی‌شده با پژوهش‌های صورت‌گرفته و نتایج شبیهسازی سایر مقالات.
FTBR (dB) | بهره آنتن (dBi) | فرکانس کاری | ابعاد آنتن | مقالات | |
FBW (%) | GHz | ||||
25- 10 | 13- 9 | 9/32 | 15/33 | 4/2´6/2´16/0 | [9] |
20 | 1/14 | 5 | 9/20 | 2/2´5/1´58/0 | [10] |
16 | 7/11- 3/7 | 39/16 | 5/30 | 4/2´6/2´16/0 | [11] |
2/21 | 11/10 | 66/0 | 2/30 | 3/2´6/1´25/0 | [12] |
12 | 5/10- 5/6 | 32/41 | 25/30 | 4/1´3/3´3/0 | [16] |
13 | 9 | 6/4 | 15/24 | 6/7´8/3´12/0 | [17] |
21 | 4/10 | 5 | 8/25 | 1/2´8/3´16/2 | [18] |
30- 14 | 3/15- 1/10 | 96/3 | 75/27 | 25/2´41/2´72/0 | آنتن پیشنهادی |
15 | 5/17- 15 | 83/3 | 65/28 | 4´96/4´72/0 | آرایه آنتن پیشنهادی |
مراجع
[1] G. Q. Luo, W. Hong, et al., "Dualband frequency selective surfaces using substrate integrated waveguide technology," IET Microw. Antennas and Propag., vol. 1, no. 2, pp. 408-413, Apr. 2007.
[2] B. Liu, W. Hong, and Z. Kuai, "Substrate integrated waveguide (SIW) monopulse slot antenna array," IEEE Trans. Antenna Propag., vol. 57, no. 1, pp. 275-279, Jan. 2009.
[3] S. H. Haghirosadat, Design and Simulation of H-Plane Horn Antenna Using Empty Substrate Integrated Waveguide Technology to Improve Radiation Characteristics, MSc. Disertation Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran, 2020.
[4] A. Belenguer, H. Estebanm, A. L. Borja, and V. E. Boria, "Empty SIW technologies," IEEE Microwave Magazine, vol. 20, no. 3, pp. 24-45, Mar. 2019.
[5] A. Belenguer, H. Eseban, and V. E. Boria, "Novel empty substrate integrated waveguide for high-performance microwave integrated circuits," IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 62, no. 4, pp. 832-839, Apr. 2014.
[6] A. A. Khan, M. K. Mandal, and R. Shaw, "Compact and wideband SMA connector to empty substrate integrated waveguide (ESIW) transition," in Proc. IEEE Int. Microwave and RF Conf. , IMaRC’15, pp. 246-248, Hyderabad, India, 10-12 Dec. 2015.
[7] C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, 4 ed, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2016.
[8] A. Kumar, N. Muchhal, A. Chakraborty, and S. Srivastava, "Analysis of empty substrate integrate waveguide H-plane horn antenna for K band application," In: Rawat, B., Trivedi, A., Manhas, S., Karwal, V. (eds) Advances in Signal Processing and Communication . Lecture Notes in Electrical Engineering, vol. 526, pp. 95-106, Springer, Singapore, 2019.
[9] Z. Qi, X. Li, J. Xiao, and H. Zhu, "Dielectric-slab-loaded hollow substrate-integrated-waveguide H-plane horn antenna array at Ka-band," IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters, vol. 18, no. 9, pp. 1751-1755, Sept.. 2019.
[10] H. Jamshidi-Zarmehri and M. H. Neshati, "Design and development of high-gain SIW H-plane horn antenna loaded with waveguide, dipole array, and reflector nails using thin substrate," IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 67, no. 4, pp. 2813-2818, Apr. 2019.
[11] S. H. Haghirosadat and M. H. Neshati, "Development a wideband ESIW H-plane horn antenna with improved radiation performance," in Proc. 28th Iranian Conf. on Electrical Engineering, ICEE’20, 5 pp., Tabriz, Iran, 4-6 Aug. 2020.
[12] M. M. Paraastoo, S. Mohammad-AliNezhad, and S. Saviz, "Field-matching at the compact SIW horn antenna aperture using genetic algorithm," Int J. Numer Model El, vol. 33, no. 5, pp. 1-10, Sept. 2020.
[13] E. Rahimi and M. H. Neshati, "Development of an enhanced substrate integrated waveguide H-plane horn antenna using thin substrate," IJE Trans. B: Applications, vol. 29, no. 8, pp. 1062-1067, Aug. 2016.
[14] F. Ishihara and S. Iiguch, "Equivalent characteristic impedance formula of waveguide and its applications," Electrical and Communications in Japan, vol. 75, no. 5, pp. 54-66, Jan. 1992.
[15] Y. Cai, Y. Zhang, and L. Wang, "Design of compact air-vias perforated SIW horn antenna with partially detached broad walls," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 64, no. 6, pp. 2100-2107, Jun. 2016.
[16] M. Reshadatmand, H. R. Hassani, and S. M. A. Nezhad, "A compact wideband dielectric loaded H-plane sectoral ridged SIW horn antenna," Advanced Electromagnetics, vol. 9, no. 2, pp. 1-6, 28 Aug. 2020.
[17] Y. Yin, B. Zarghooni, and K. Wu, "A compact substrate integrated waveguide circularly polarized horn antenna" in Proc. IEEE Int. Symp. on Antennas and Propagation, ISAP’16, pp. 394-395, Okinawa, Japan, 24-28 Oct. 2016.
[18] H. Kumar and G. Kumar, "Cavity backed substrate integrated waveguide horn antenna with enhanced gain for 5G applications," in Proc. IEEE Indian Conf. on Antennas and Propogation, InCAP’18, 4 pp., Hyderabad, India, 16-19 Dec. 2018.
سید حسین حقیرالسادات در سال 1397 مدرك كارشناسي مهندسي برق خود را از دانشگاه بیرجند دریافت و در سال 1399 موفق به اخذ مدرك كارشناسي ارشد در رشته مهندسی برق- مخابرات از دانشگاه فردوسی مشهد با سهمیه استعداد درخشان شده است. نامبرده از سال 1401 بهعنوان کارشناس مهندسی در گروه صنعتی پارت لاستیک مشغول به فعالیت شده است. زمينههاي تحقيقاتي مورد علاقه ايشان شامل شبیهسازی انواع آنتنهای مایکرواستریپ و شیپوری، کاربرد فناوری ESIW در طراحی موجبرها و آنتنها، تجزیه و تحلیل انواع مدارهای الکترونیکی است.
محمدحسن نشاطی دوره كارشناسي و كارشناسي ارشد مهندسي برق خود را از دانشگاه صنعتي اصفهان و دانشگاه صنعتی امیرکبیر به ترتيب در سالهای 1364 و 1368 اخذ نموده است. همچنین نامبرده در سال 1380 موفق به دریافت مدرک دکتری خود از دانشگاه منچستر انگلستان (UMIST) شده است. ایشان پس از 18 سال خدمت در دانشگاه سیستان و بلوچستان، در سال 1387 به دانشگاه فردوسی مشهد منتقل و به عنوان دانشيار گروه مهندسي برق در این دانشگاه مشغول به فعالیت است. زمینههای تحقیقاتی وی شامل تئوری الکترومغناطیس، تحلیل و طراحی انواع آنتنها و همچنین طراحی مدارهای فعال و غیرفعال مایکروویو است.