هوائي Microstrip: البناء والعمل وأنواعه وطرق التغذية وتطبيقاته

الهوائي أو الهوائي في هندسة الراديو هو تخصص محول ، تم تصميمه بواسطة مجموعة من الموصلات المتصلة كهربائيًا بجهاز الإرسال أو جهاز الاستقبال. وتتمثل الوظيفة الرئيسية للهوائي في إرسال واستقبال موجات الراديو بالتساوي في جميع الاتجاهات الأفقية، وتتوفر الهوائيات بأنواع وأشكال مختلفة. يمكن العثور على الهوائيات الصغيرة على أسطح المنازل لمشاهدة التلفزيون، بينما تلتقط الهوائيات الكبيرة الإشارات من الأقمار الصناعية المختلفة التي تبعد ملايين الأميال. تتحرك الهوائيات عموديًا وأفقيًا لالتقاط الإشارة ونقلها. هناك أنواع مختلفة من الهوائيات متوفرة مثل الفتحة، والأسلاك، والعدسة، والعاكس، والشريط الصغير، والسجل الدوري، والمصفوفة، وغيرها الكثير. تتناول هذه المقالة نظرة عامة على هوائي ميكروستريب .

تعريف هوائي Microstrip

الهوائي الذي يتم تشكيله ببساطة عن طريق حفر قطعة من مادة موصلة فوق سطح عازل يسمى هوائي الشريط الصغير أو هوائي التصحيح. على المستوى الأرضي لهذا الهوائي ذو الشريط الصغير، يتم تركيب المادة العازلة، حيث يدعم هذا المستوى الهيكل بأكمله. بالإضافة إلى ذلك، يمكن توفير الإثارة لهذا الهوائي من خلال خطوط تغذية متصلة بالرقعة. بشكل عام، تعتبر هذه الهوائيات هوائيات منخفضة المستوى تستخدم في تطبيقات ترددات الميكروويف التي يزيد ترددها عن 100 ميجاهرتز.

يمكن اختيار الشريط/الرقعة الدقيقة للهوائي لتكون مستطيلة ومربعة وبيضاوية ودائرية لسهولة التحليل والتصنيع. لا تستخدم بعض الهوائيات ذات الشرائح الدقيقة ركيزة عازلة ولكنها مصنوعة من رقعة معدنية مثبتة على مستوى أرضي مع فواصل عازلة؛ وبالتالي يكون التشكيل الناتج أقل قوة لكن عرض نطاقه أوسع.

بناء هوائي Microstrip

يمكن تصميم هوائي Microstrip بمساعدة شريط معدني رفيع للغاية عن طريق ترتيبه على مستوى أرضي بين مادة عازلة. هنا، المادة العازلة هي ركيزة تستخدم لفصل الشريط عن المستوى الأرضي. بمجرد إثارة هذا الهوائي، فإن الموجات المتولدة في العازل الكهربائي تخضع للانعكاسات وتكون الطاقة المنبعثة من حواف الرقعة المعدنية منخفضة جدًا. يتم التعرف على أشكال الهوائي هذه من خلال شكل الرقعة المعدنية المرتبة على المادة العازلة.

بشكل عام، يتم حفر الشريط/الرقعة وخطوط التغذية على سطح الركيزة. هناك أشكال مختلفة للهوائيات ذات الشرائح الدقيقة مثل المربع، وثنائي القطب، والمستطيل، والدائري، والإهليلجي، وثنائي القطب. نحن نعلم أنه يمكن تشكيل الرقع بأشكال مختلفة، ولكن نظرًا لسهولة التصنيع، تُستخدم عادةً الرقع ذات الأشكال الدائرية والمربعة والمستطيلة.

يمكن أيضًا تشكيل هوائيات Microstrip مع مجموعة من الرقع المختلفة فوق ركيزة عازلة. يتم استخدام خطوط تغذية مفردة أو متعددة لإثارة هوائي الشريحة الدقيقة. لذا فإن وجود مصفوفات عناصر microstrip يوفر اتجاهية أفضل وكسبًا عاليًا ونطاقًا متزايدًا للإرسال مع تداخل منخفض.

عمل هوائي Microstrip

يعمل هوائي microstrip على النحو التالي: عندما يصل التيار عبر خط التغذية إلى شريط هوائي الشريحة الدقيقة، يتم إنتاج موجات كهرومغناطيسية. لذلك ستبدأ هذه الموجات من الرقعة بالإشعاع من الجانب العرضي. ومع ذلك، عندما يكون سمك الشريط صغيرًا جدًا، فإن الموجات المنتجة في الركيزة سوف تنعكس من خلال حافة الشريط. هيكل الشريط الثابت على طول الطول لا يسمح بانبعاث الإشعاع.

تسمح قدرة الإشعاع المنخفضة لهوائي microstrip بتغطية عمليات إرسال الموجات فقط بمسافات صغيرة مثل المتاجر أو المواقع الداخلية أو المكاتب المحلية. لذا فإن انتقال الموجات غير الفعال هذا غير مقبول في منطقة مركزية في منطقة كبيرة جدًا. عادة، يتم توفير التغطية النصف كروية بواسطة هوائي التصحيح بزاوية 30 درجة - 180 درجة على مسافة من الحامل.

مواصفات هوائي Microstrip

تتضمن مواصفات هوائي microstrip ما يلي.

• تردد الرنين هو 1.176 جيجا هرتز.
• نطاق تردد هوائي microstrip هو من 2.26 جيجا هرتز إلى 2.38 جيجا هرتز.
• ثابت العزل الكهربائي للركيزة هو 5.9.
• ارتفاع الركيزة العازلة هو 635um.
• طريقة التغذية هي تغذية خط microstrip.
• ظل الخسارة هو 0.00 12.
• الموصل فضي.
• سمك الموصل 25um.
• عرض النطاق الترددي هو ± 10 جيجا هرتز.
• مكاسبها أعلى من 5 ديسيبل.
• النسبة المحورية أقل من 4dB.
• خسارة العودة أفضل من 15 ديسيبل.

أنواع هوائيات Microstrip

هناك أنواع مختلفة من هوائيات الشرائح الدقيقة المتوفرة والتي سيتم مناقشتها أدناه.

هوائي التصحيح Microstrip

هذه الأنواع من الهوائيات عبارة عن هوائيات منخفضة المستوى حيث يتم ترتيب رقعة معدنية على مستوى الأرض من خلال مادة عازلة بينهما تشتمل على شريط (أو) هوائي التصحيح. هذه الهوائيات هي هوائيات منخفضة الحجم للغاية ذات إشعاع منخفض. يشتمل هذا الهوائي على رقعة مشعة على أحد وجهي الركيزة العازلة وعلى الجانب الآخر له مستوى أرضي.

بشكل عام، الرقعة مصنوعة من مادة موصلة مثل الذهب أو النحاس. يمكن تشكيل هذه الأنواع من الهوائيات بطريقة الشرائح الدقيقة عن طريق تصنيعها ببساطة على PCB. تُستخدم هذه الهوائيات في تطبيقات ترددات الميكروويف التي يزيد ترددها عن 100 ميجاهرتز.

هوائي ثنائي القطب ميكروستريب

الشريط الصغير هوائي ثنائي القطب عبارة عن شريط رفيع موصل يتم وضعه على الجزء الفعلي من الركيزة ويتم تغطيته بالكامل بالمعدن على وجه واحد يعرف بالمستوى الأرضي. تُستخدم هذه الهوائيات في أجهزة الاتصال الرقمية مثل أجهزة الكمبيوتر وعقد شبكة WLAN. عرض هذا النوع من الهوائيات صغير بحيث يمكن استخدامه عند نقطة الدخول لنظام WLAN.

هوائي فتحة مطبوعة

يلعب هوائي الفتحة المطبوعة دورًا رئيسيًا في تعزيز عرض النطاق الترددي للهوائي بأنماط الإشعاع في كلا الاتجاهين. حساسية هذا الهوائي منخفضة مقارنة بالهوائيات العادية. هذه الهوائيات مطلوبة عبر خط تغذية يتم ترتيبه عكسيًا للركيزة وعموديًا لمحور الفتحة الموجود أعلى الرقعة.

Microstrip هوائي موجة السفر

تم تصميم هوائيات الموجات المتنقلة Microstrip بشكل أساسي بخط Microstrip طويل بعرض كافٍ لدعم اتصال TE. تم تصميم هذه الأنواع من هوائيات الرقائق الدقيقة بحيث يقع الشعاع الرئيسي ضمن أي طريق من الجانب العريض إلى نهاية النار.

طرق تغذية هوائي Microstrip

يحتوي هوائي الشريحة الدقيقة على طريقتين للتغذية؛ الاتصال والخلاصة غير المتصلة والتي سيتم مناقشتها أدناه.

الاتصال بالخلاصة

يتم توفير الطاقة في تغذية الاتصال مباشرة إلى العنصر المشع. لذلك يمكن القيام بذلك باستخدام خط/شريط صغير متحد المحور. ويصنف هذا النوع من طريقة التغذية مرة أخرى إلى نوعين؛ تغذية Microstrip وتغذية محورية والتي سيتم مناقشتها أدناه.

تغذية ميكروستريب

إن تغذية Microstrip عبارة عن شريط موصل بعرض صغير جدًا من عرض العنصر المشع. يوفر خط التغذية نقشًا بسيطًا فوق الركيزة نظرًا لأن الشريط له أبعاد أرق. فائدة هذا النوع من ترتيب الأعلاف هي؛ أنه يمكن حفر التغذية فوق ركيزة مماثلة لتقديم بنية مستوية. يتم توفير خط التغذية باتجاه الهيكل إما في المنتصف أو في الإزاحة أو في الداخل. الغرض الرئيسي من القطع الداخلي داخل الرقعة هو مطابقة مقاومة خط التغذية مع الرقعة دون الحاجة إلى أي عنصر مطابقة إضافي.

تغذية محورية

تعد طريقة التغذية هذه هي النوع الأكثر استخدامًا وهي طريقة تغذية غير مستوية حيث يتم استخدام الكابل المحوري z لتغذية الرقعة. يتم إعطاء طريقة التغذية هذه لهوائي microstrip بطريقة يتم فيها توصيل الموصل الداخلي مباشرة بالرقعة بينما يتم توصيل الموصل الخارجي بالمستوى الأرضي.

سوف تتغير المعاوقة مع اختلاف ترتيب التغذية المحورية. بمجرد توصيل خط التغذية في أي مكان في الرقعة، يساعد ذلك في مطابقة المعاوقة. ومع ذلك، فإن خط التغذية الذي يتصل بالمستوى الأرضي يكون صعبًا بعض الشيء لأن ذلك سيحتاج إلى حفر ثقب داخل الركيزة. طريقة التغذية هذه بسيطة جدًا في التصنيع وتحتوي على إشعاعات زائفة أقل. لكن عيبه الرئيسي هو أنه متصل بموصل مستوى أرضي.

تغذية غير ملامسة

يتم إعطاء الطاقة للعنصر المشع من خط التغذية عن طريق الاقتران الكهرومغناطيسي. تتوفر طرق التغذية هذه في ثلاثة أنواع؛ الفتحة المقترنة، القرب، وتغذية الخط الفرعي.

تغذية مقترنة بالفتحة

تتضمن تقنية تغذية الفتحة ركيزتين عازلتين مثل الركيزة العازلة للهوائي، وركيزة عازلة للتغذية مقسمة ببساطة من خلال مستوى أرضي ولها فجوة في المنتصف. توجد الرقعة المعدنية فوق الركيزة للهوائي بينما يقع المستوى الأرضي على وجه آخر من عازل الهوائي. لتوفير العزل، يقع خط التغذية وعازل التغذية على الجانب الآخر من المستوى الأرضي.

توفر تقنية التغذية هذه نقاء استقطاب متميزًا لا يمكن تحقيقه بواسطة تقنيات التغذية الأخرى. توفر التغذية المزدوجة للفتحة نطاقًا تردديًا عاليًا وهي مفيدة للغاية في التطبيقات التي لا نريد فيها استخدام الأسلاك من طبقة واحدة إلى أخرى. العيب الرئيسي لتقنية التغذية هذه هو أنها تحتاج إلى تصنيع متعدد الطبقات.

تغذية مقترنة بالقرب

يُطلق على التغذية المقترنة بالقرب أيضًا اسم التغذية غير المباشرة عندما لا يكون المستوى الأرضي موجودًا. بالمقارنة مع هوائي التغذية المزدوج الفتحة، فإن تصنيعه بسيط للغاية. توجد فتحة على الوجه الموصل للهوائي ويتم توصيلها بخط شريطي صغير.

توفر طريقة التغذية هذه إشعاعًا زائفًا منخفضًا وعرض نطاق ترددي ضخم. يقع خط التغذية في هذه الطريقة بين ركيزتين عازلتين. يتم ترتيب حافة خط التغذية عند نقطة ما حيثما تكون مقاومة الإدخال لهوائي الشريحة الدقيقة 50 أوم. لقد عززت تقنية التغذية هذه كفاءة عرض النطاق الترددي مقارنة بأنواع الطرق الأخرى. العيب الرئيسي لهذه التقنية هو؛ أن التصنيع متعدد الطبقات ممكن ويوفر نقاء استقطاب ضعيف.

تغذية خط الفرع

في تقنية تغذية الخط الفرعي، يتم توصيل شريط موصل مباشرة بحافة التصحيح للشريط الصغير. بالمقارنة مع الرقعة، عرض شريط التوصيل أصغر. الفائدة الرئيسية لتقنية التغذية هذه هي؛ أن التغذية محفورة على ركيزة مماثلة لإعطاء بنية مستوية.

يمكن دمج القطع الداخلي في الرقعة للحصول على مطابقة مقاومة ممتازة دون الحاجة إلى أي عنصر مطابقة إضافي. يمكن تحقيق ذلك من خلال التحكم في موضع الإدخال بشكل صحيح، وإلا فيمكننا تقطيع الفتحة وحفرها من الرقعة بحجم مناسب. علاوة على ذلك، يتم استخدام تقنية التغذية هذه وتسمى بتقنية تغذية الخط الفرعي.

نمط إشعاع هوائي Microstrip

يُعرف التمثيل الرسومي لخصائص إشعاع الهوائي بنمط الإشعاع الذي يشرح كيفية بث الهوائي للطاقة إلى الفضاء. ويتم رصد التغير في القدرة كوظيفة لزاوية الوصول في المجال البعيد للهوائي.

نمط إشعاع هوائي الشرائح الدقيقة واسع ولديه طاقة إشعاع أقل وتردد ضيق في عرض النطاق الترددي. يظهر أدناه نمط إشعاع هوائي الشريحة الدقيقة والذي يتميز باتجاهية أقل. باستخدام هذه الهوائيات، يمكن تشكيل مصفوفة ذات اتجاهية متفوقة.

صفات

ال خصائص هوائي microstrip تشمل ما يلي.

• ينبغي أن تكون رقعة الهوائي ذات الشرائح الدقيقة منطقة موصلة رفيعة للغاية.
• بالمقارنة مع الرقعة، يجب أن يكون للمستوى الأرضي أبعاد كبيرة جدًا إلى حد ما.
• يتم إجراء حفر الصور على الركيزة لبناء العنصر المشع وخطوط التغذية.
• توفر الركيزة العازلة السميكة بواسطة ثابت العزل الكهربائي في نطاق 2.2 إلى 12 أداءً ممتازًا للهوائي.
• توفر مصفوفات عناصر Microstrip في تصميم هوائي microstrip توجيهًا فائقًا.
• توفر هوائيات Microstrip عرضًا عاليًا للشعاع.
• يوفر هذا الهوائي عوامل عالية الجودة للغاية لأن عامل Q العالي يؤدي إلى كفاءة منخفضة وعرض نطاق ترددي طفيف. ولكن يمكن تعويض ذلك ببساطة عن طريق زيادة عرض الركيزة. ومع ذلك، فإن الزيادة في العرض بما يتجاوز حدًا معينًا ستتسبب في فقدان الطاقة بشكل غير ضروري.

المميزات والعيوب

ال مزايا هوائي microstrip تشمل ما يلي.

• هوائيات Microstrip صغيرة جدًا.
• وزن هذا الهوائي أقل.
• إجراء التصنيع الذي يوفره هذا الهوائي بسيط.
• تركيبه سهل للغاية بسبب صغر حجمه وحجمه.
• يوفر تكاملًا بسيطًا مع الأجهزة الأخرى.
• يمكن لهذا الهوائي إجراء عمليات التردد المزدوج والثلاثي.
• يمكن بناء صفائف الهوائي هذه بسهولة.
• يوفر هذا الهوائي قدرًا كبيرًا من المتانة فوق الأسطح القوية.
• من السهل تصنيعها وتخصيصها وتعديلها..
• يتميز هذا الهوائي بتصميم بسيط ومنخفض التكلفة.
• في هذا الهوائي يمكن تحقيق الاستقطاب الخطي والدائري.
• إنه مناسب لهوائيات المصفوفة.
• وهو متوافق مع المرحلية الميكروويف متجانسة.
• يمكن توسيع النطاق الترددي ببساطة عن طريق تحسين عرض المادة العازلة.

ال عيوب الهوائيات microstrip تشمل ما يلي.

• يوفر هذا الهوائي مكاسب أقل.
• كفاءة هذا النوع من الهوائيات منخفضة بسبب فقدان الموصل والعازل الكهربائي.
• يحتوي هذا الهوائي على نطاق عالٍ من إشعاع الاستقطاب المتقاطع.
• قدرة التعامل مع الطاقة لهذا الهوائي منخفضة.
• لديها عرض النطاق الترددي أقل مقاومة.
• يشع هيكل هذا الهوائي من نقاط الوصلات ونقاط الوصل الأخرى.
• يُظهر هذا الهوائي أداءً حساسًا للغاية تجاه العوامل البيئية.
• هذه الهوائيات أكثر عرضة لإشعاع التغذية المزور.
• يحتوي هذا الهوائي على المزيد من خسائر الموصلات والعزل الكهربائي.

التطبيقات

ال الاستخدامات أو تطبيقات الهوائيات microstrip تشمل ما يلي.

• هوائيات Microstrip قابلة للتطبيق في مجالات مختلفة؛ في الصواريخ، الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية والطائرات وأنظمة الاتصالات اللاسلكية والهواتف المحمولة والاستشعار عن بعد والرادارات.
• وتستخدم هذه الهوائيات في الاتصالات اللاسلكية. لإظهار التوافق مع الأجهزة المحمولة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الاستدعاء.
• وتستخدم هذه على الصواريخ كهوائيات الاتصالات.
• تتميز هذه الهوائيات بصغر حجمها، لذا تستخدم في تطبيقات الاتصالات عبر الموجات الدقيقة والأقمار الصناعية.
• نظام تحديد المواقع هي إحدى الفوائد الرئيسية للهوائيات ذات الشرائح الدقيقة لأنها توفر سهولة في تتبع المركبات ومشاة البحرية.
• وتستخدم هذه في مجموعة مرحلية رادارات للتعامل مع التسامح عرض النطاق الترددي يساوي بعض النسبة المئوية.

كيفية تحسين عرض النطاق الترددي لهوائي Microstrip؟

يمكن تعزيز عرض النطاق الترددي لهوائي الشرائح الدقيقة من خلال تقنيات مختلفة مثل تعزيز سماكة الركيزة بثبات عازل منخفض، وقطع الفتحات، وتغذية المسبار من خلال قطع الشقوق وأشكال مختلفة من الهوائي

لماذا تشع هوائيات Microstrip؟

تشع هوائيات التصحيح Microstrip بشكل رئيسي بسبب الحقول المهدبة بين حافة التصحيح والمستوى الأرضي.

كيفية زيادة كسب هوائي Microstrip؟

يمكن زيادة كسب هوائي الشريط الصغير من خلال رقعة طفيلية وفجوة هوائية بين رقعة التغذية والمستوى الأرضي.

هكذا هذا نظرة عامة على هوائي microstrip والعمل وتطبيقاته. يعد هذا الهوائي اختراعًا حديثًا يسمح بالتكامل المريح للهوائي ودوائر القيادة الأخرى لنظام الاتصالات على PCB (أو) شريحة أشباه الموصلات الشائعة. وتستخدم هذه على نطاق واسع في مجموعة واسعة من أنظمة الموجات الدقيقة الحالية في نطاق جيجاهيرتز. الفوائد الرئيسية لهذا الهوائي هي؛ خفيفة الوزن، ومنخفضة التكلفة، وأشكال متوافقة، ومتوافقة مع دوائر الميكروويف المتجانسة والهجينة. هنا سؤال لك، ما هو هوائي ثنائي القطب ؟