مقاله تحلیل یک آنتن patch مثلثی با تغذیه سه گانه و تحقق پلاریزاسیون دایروی در آن

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

تحليل يک آنتن patch مثلثي با تغذيه سه گانه و تحقق پلاريزاسيون دايروي در آن
چکيده : در اين مقاله ، يک آنتن مايکرواستريپ patch مثلثي با تغذيه سه گانه طراحي و تحليل شده است . هدف از اعمال تغذيه سه گانه ، رسيدن به پلاريزاسيون دايروي در يک patch مثلثي مي باشد. تحليل اين آنتن با استفاده از روش تمام موج FDTD صورت گرفته و از شرط مرزي UPML به عنوان مرز جاذب استفاده شده است . تلف بازگشتي ، امپدانس ورودي سه پورت ، پترن ميدان دور و نسبت Axial Ratio اين آنتن محاسبه شده است . نتايج بدست آمده از کد FDTD با نتايج حاصل از نرم افزار HP-HFSS که روشي بر پايه المان محدود مي باشد مقايسه شده است و تطابق خوبي بين نتايج FDTD و روش المان محدود مشاهده شده است .
واژه هاي کليدي : پلاريزاسيون دايروي ، آنتن مايکرواستريپ ، patch مثلثي ، FDTD

۱- مقدمه
آنتن patch مثلثي به دليل کوچک بودن ساختار آن ، يکي از اشکال مورد توجه در آنتن هاي مايکرواستريپ مي باشد.
چگونگي توزيع ميدان ، نحوه عملکرد مودي و فرکانس هاي رزونانس در اين آنتن به طور کامل بررسي شده است [١]. از طرفي به منظور رسيدن به پلاريزاسيون دايروي در اين آنتن تحقيقاتي صورت گرفته است . تا کنون روش هاي پيشنهادي براي تحقق پلاريزاسيون دايروي در patch مثلثي شامل استفاده از شيار بر روي patch و يا ايجاد شکاف در لبه هاي patch مي باشد و يا اينکه ساختار مثلث را به صورت تقريباً متساوي الاضلاع در نظر گرفته و با تنظيم طول اضلاع ، پلاريزاسيون دايروي را در اين ساختار تحقق مي بخشند[٥-٢]. در اين مقاله تغذيه از سه ضلع مثلث براي ايجاد پلاريزاسيون دايروي پيشنهاد شده است . در واقع با تغذيه آنتن از سه ضلع و اعمال اختلاف فاز مناسب بين تغذيه ها در يک patch مثلثي متساوي الاضلاع ، مي توان دو مولفه عمود بر هم ميدان را با دامنه يکسان و اختلاف فاز ۹۰ درجه ايجاد کرد. پورت هاي تغذيه به صورت خطوط مايکرواستريپ مي باشند که بعد از عبور از شيفت دهنده ، فازهاي مناسب بر روي هر پورت تغذيه ايجاد شده ، خروجي به آنتن منتهي مي گردد. بدين ترتيب ساختار يکپارچه آنتن حفظ خواهد شد. در تحليل اين آنتن از روش تمام موج Finite Difference Time Domain( FDTD) استفاده شده است . اين روش با توجه به قدرت آن در تحليل ساختارهاي رزونانسي و دقت آن در نتايج انتخاب شده است .
شرط مرزي UPML به عنوان مرز جاذب به کار رفته و از طرفي براي اعمال تبديل ميدان نزديک به ميدان دور از توزيع جريان هاي مغناطيسي بر روي صفحه اي بالاي patch استفاده شده است . آنتن براي باند فرکانسي موبايل يعني ۹۰۰ مگاهرتز طراحي شده است .
در ادامه جزييات طراحي و تحليل آنتن پيشنهادي توضيپ داده مي شود و نتايج حاصل از شبيه سازي با نرم افزار HFSS به عنوان مقايسه آورده مي شود.
۲- ساختار آنتن طراحي شده
ساختار آنتن مورد بررسي در شکل ر آورده شده است . patch مورد استفاده يک مثلث متساوي الاضلاع است که بر روي زير لايه اي با ضريب دي الکتريک نسبي و ضخامت چاپ شده است . اندازه اضلاع مثلث براي فرکانس رزونانس مورد نظر و با استفاده از مدل محفظه تعيين مي گردد. چگونگي توزيع ميدان در يک patch مثلثي در [١]
بررسي شده است . مود مالب در اين ساختار TM10 مي باشد.
فرکانس رزونانس اين مود در يک patch مثلثي از رابطه 1 بدست مي آيد.

در اين رابطه c سرعت نور در فضای آزاد وaeff اندازه موک ر اضلاع مثلث است که اک رات لبه اي را در محاسبات ملحو، مي کند[١]. براي فرکانس مرکزي ۹۰۰ مگاهرتز اضلاع مثلث انتخاب شده اند. تغذيه آنتن از طريق سه خط
مايکرواستريپ مي باشد که بر روي همان زير لايه چاپ شده اند.
براي داشتن پلاريزاسيون دايروي بايد دو مود متعامد را در اين ساختار تحريک کرد. ايده تغذيه چندگانه در patch هاي مستطيلي و دايروي يکي از روش هاي رسيدن به پلاريزاسيون دايروي است . در اينجا تغذيه سه گانه بر روي patch مثلثي را بررسي مي نماييم . با تغذيه آنتن از سه ضلع و اعمال اختلاف فاز مناسب بر روي سه پورت ورودي مي توان به پلاريزاسيون دايروي با نسبت Axial Ratio نزديک به يک رسيد. مکان تغذيه ها با انحراف از مرکز اضلاع براي داشتن تطبيق مناسب انتخاب مي شود. در ادامه تحليل اين آنتن در فضای FDTD بررسي مي شود.

۳- مدل سازي آنتن در فضاي FDTD
تحليل اين آنتن را با بکار بردن روش FDTD انجام مي دهيم .
کل ساختار در نظر گرفته شده براي ساختار آنتن يک جعبه با ابعاد ١٦ ٩٠ ٩٠ مي باشد. ابعاد سلول ها با توجه به ماکزيمم فرکانس موجود در منبع و رعايت شرط چنين در نظر گرفته شده است
. گام زماني با حفظ شرط پايداري کورانت چنين انتخاب شده است
شرط مرزي UPML Uniaxial Perfect Matched Layer به عنوان مرز جاذب استفاده شده است . اين شرط مرزي ، حداقل انعکاسات از مرز خارجي را دارد[٦]. ضخامت جاذب ، کر لايه انتخاب شده و تابع مشخده تلفات در آن به صورت چند- جمله اي در نظر گرفته شده است . اين تابع مشخده تلفات در راستاي x به صورت زير مي باشد

از رابطه 2 پيدا است که لايه به لايه ، از مقدار صفر در مرز PML به در مرز خارجي PML و kx از صفر به kx,max افزايي مي يابد. بدين ترتيب با حرکت در داخل جاذب ، ميزان تلفات افزايي مي يابد. ما پارامترهاي مرز جاذب را چنين انتخاب نموده ايم

زير لايه دي الکتريک و خطوط تغذيه به داخل ناحيه جاذب UPML کشيده شده اند به گونه اي که خط استريپ به صفحه فلز پشت UPML اتصال مي يابد. عرث اين خطوط تغذيه براي امپدانس حقيقي 50 اهم ، 3.8 ميليمتر در نظر گرفته مي شود.

۳-۱ منبع
يکي از مسايل مهم در FDTD شبيه سازي درست منبع مي باشد. در اينجا تحريک به صورت منبع ولتاژ اعمال مي شود.
بدين ترتيب که در فضای FDTD، منبع به صورت ميدان الکتريکي Ez در ناحيه مستطيلي زير هر پورت اعمال مي گردد. صفحات مرجع به عنوان پورت هاي ورودي به فاصله از لبه patch در نظر گرفته شده اند تا فاصله کافي از ناپيوستگي ها حفظ شود. به عنوان مثال ، براي سيگنال ورودي Ezinc اعمال شده در پورت 1، ميدان الکتريکي در ناحيه مستطيلي صفحه ای که اين منبع اعمال مد شود به صورت زير محاسبه مي گردد[٧]

با وارد کردن منبع به صورت فوق، اطلاعات سيگنال انعکاسي از بين نخواهد رفت . براي دو پورت ورودي ديگر نيز به صورت مشابه سيگنال مرجع را اعمال مي کنيم .
تحريک يک سيگنال گوسي انتخاب مي شود که با فرکانس مرکزي f0 مدوله شده است

T با توجه به پهناي باند فرکانسي مورد نظر انتخاب مي شود و تاخیر t0 نيز به گونه اي انتخاب مي شود که خاصيت علي بودن سيستم حفظ گردد. ما در نظر مي گيريم . سيگنال inc Ez از سه پورت به آنتن اعمال مي شود.
توجه شود که براي ايجاد اختلاف فاز بر روي هر تغذيه ، مي توان با تنظيم مکان پورت هاي 2 و ت اين اختلاف فاز را تحقق بخشيد. بدين ترتيب که با اختلاف فاصله ، اختلاف فاز مطلوب را ايجاد کرد و يا مي توان اين اختلاف فاز را در سيگنال تغذيه وارد کرد. ما براي پرهيز از بزري شدن فضای محاسبه ، از روش دوم استفاده مي کنيم . بدين ترتيب که در فرکانس مرکزي ، اختلاف فاز را به صورت تل خير زماني در سيگنال هاي تغذيه وارد مي کنيم

که  ها اختلاف فاز مورد نياز بر روي پورت هاي 2 . 3 و D ها تل خير زماني معادل در فرکانس مرکزي مي باشند. اکنون کل ساختار در فضای FDTD تعريف شده است و مي توان اجراي برنامه را آماز کرد. با توجه به رزونانسي بودن ساختار آنتن ، اجراي برنامه براي تعداد گام زماني ۰۰۰س انجام شده است تا به حالت پايدار برسيم .
۴- پارامترهاي آنتن در حوزه فرکانس
FDTD يک روش در حوزه زمان است که نتايج را به صورت زماني مي دهد. با استفاده از اين اطلاعات زماني به راحتي مي توان پارامترهاي اسکترينگ را در حوزه فرکانس محاسبه کرد.
اگر به ترتيب بردارهاي ولتاژ انعکاسي و تابشي باشند و [S] ماتريس اسکترينگ باشد، داريم

براي مقداردهي اين رابطه لازم است ميدان الکتريکي عمودي در زير هر پورت تغذيه در هر گام زماني در حافظه ذخيره شود. در اينجا فرث مي کنيم مقدار ولتاژ متناسب با ميدان است که در واقع به راحتي با انتگرال گيري بردار ميدان الکتريکي بدست مي آيد. براي محاسبه پارامترهاي اسکترينگ Sii ، شکل موج هاي انعکاسي و تابشي در پورت i ام مورد نياز است . FDTD مجموع موج تابشي و انعکاسي را محاسبه مي کند. لذا براي بدست آوردن شکل موج تابشي ، ساختار آنتن را برداشته و تنها پورت i را در فضا ادامه داده به گونه اي که به ديواره جاذب مقابل برسد و در اين حالت شکل موج تابشي را ذخيره مي کنيم . اکنون با کم کردن اين شکل موج تابشي از شکل موج مجموع قبلي که شامل موج تابشي و انعکاسي بود، مي توان به شکل موج انعکاسي از پورت i ام رسيد[٨].
اکنون پارامترهاي اسکترينح را مي توان با تبديل فوريه گرفتن از اين شکل موج هاي زماني به صورت زير بدست آورد