بخشی از مقاله
-1 مقدمه
کاربردهای بسیار زیاد الکترومغناطس برای ارتقا و پیشرفت تکنولوژی، کاوش و به کارگیری بیشتر طیف الکترومغناطیسی را ضروری کرده است. علاوه بر آن، پیدایش سیستم های پهن باند، تقاضا برای طراحی تشعشع کننده های پهن باند را افزایش داده است. در سالیان اخیر به کارگیری آنتن های ساده، کوچک، کم وزن و اقتصادی که برای عملکرد در تمام باند فرکانسی سیستم مشخص، طراحی شده اند ، بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. اگرچه در عمل معمولا همه ویژگی ها و مزایا مورد نظر نمیتوانند تنها برای یک آنتن به دست آیند، اکثر طرح ها به طور مؤثری می توانند اجرا شوند. یکی از اهداف اصلی در سیستم های مخابرات بی سیم، طراحی آنتن های پهن باند، یا حتی چند باندی با مقطع کم است. کاربرد چنین آنتن هایی شامل سیستم مخابرات شخصی، ترمینالهای مخابراتی کوچک ماهوارهای، هواپیماهای بدون سرنشین و موارد بسیار دیگری است.
در میان انواع آنتن ها، آنتن متناوب لگاریتمی دوقطبی به دلیل داشتن پهنای باند زیاد و گین مناسب مورد توجه ویژه ای است. این آنتن توسط ایزابل[1]معرفی شد و توسط کارل [ 2] توسعه داده شد. کوچک سازی آنتن یکی از مسائلی است که امروزه توجه ویژه ای به آن می شود. امروزه استفاده از تکنولوژی مایکرواستریپ، با توجه به تاثیر ضریب گذردهی نسبی زیرلایه ها در کاهش ابعاد آنتن ها، بسیار مورد توجه است. هم چنین ساخت آنتن بر روی زیر لایه راحت تر بوده و دارای هزینه پایین تری نیز است. آخرین کارهای انجام شده بر روی آنتن متناوب لگاریتمی در [6]-[3]معرفی شده اند.استفاده از هندسه فراکتالی یکی از روش های جدیدی است که طی چند سال اخیر برای چند بانده کردن فرکانس کار آنتن و کوچک سازی ابعاد کلی آن با استفاده از بهینه سازی هندسه و ابعاد آنتن بهکار گرفته شده است. هدف از این مطالعه، دو بانده کردن آنتن متناوب لگاریتمی دوقطبی - - LPDA با استفاده از فراکتال سیرپین اسکی میباشد. همانطور که در ادامه توضیح داده خواهد شد استفاده از فراکتال سیرپین اسکی باعث ایجاد پهنای باند جدیدی خواهد شد.
-2 فراکتالها
آنتنهای فراکتال مبتنی بر مفهوم فراکتال هستند که یک هندسه تولید شونده تکراری و ابعاد جزیی و کوچک دارند و توسط مندلبرت معرفی و بسط داده شد .[7] او نشان داد که فراکتالهای زیادی در طبیعت وجود دارند و برای مدل کردن دقیق پدیدهها طبیعی می توانند به کار برده شوند. علاوه بر آن او فراکتال های جدیدی را جهت مدل کردن ساختارهای پیچیده تر، از قبیل درختان و کوه ها معرفی کرد که دارای ویژگی های خود تشابهی و خود هم بستگی ذاتی در شکل هندسی هستند.
هندسههای فراکتالی می توانند به خوبی با استفاده روال متناوب، توصیف و ایجاد شوند که منجر به ساختارهای خود متشابه و خود هم بسته میشوند که در [8] و [9] طراحی شدند. یکی از انواع مهم ساختارهای فراکتالی، فراکتال پولک سرپین اسکی [10] و [11]است. این فراکتال می تواندبا مثلث پاسکال با استفاده از دنبال کردن روند توضیح داده شده در [12] و [13] ایجاد شوند. با استفاده از شکل 2 میتوان روند تولید این فراکتالها را تشریح کرد. هر سطر با Q 1'2'3' … ردهبندی می شود و هر سطر شامل n گره است. برای شناسایی هدفها، یک عدد به هر گره تخصیص داده می شود.
اگر همه گره ها که عدد آن ها به عدد اول - S 2'3'5' … - قابل تقسیم است، پاک شوند، حاصل یک فراکتال خود متشابه است که پولک سرپین اسکی مد p نامیده می شود. برای مثال، اگر گرههای شکل - 1الف - که شماره آنها به 2 قابل تقسیم هستند، پاک شوند، حاصل پولک سر پین اسکی مد 2 است. اگر گره های که شماره آن ها قابل تقسیم به 3 هستند پاک شوند، یک پولک سر پین اسکی مد 3 به دست می آید که شکل - 1ب - نشان داده شد. پولک های سرپین اسکی می توانند به عنوان عناصر دو قطبی و تک قطبی استفاده شوند که دارای هندسه هایی هستند که حاشیهها مشابه سطح مقطع دو قطبی دومخروطی و تکمخروطی است.
- الف - مثلث پاسکال و پولک سیرپین اسکی مد2
- پ - مد 5 - ب - مد3 شکل-1 مثلث پاسکال و پولک سرپین اسکی
پولکهای سرپیناسکی، مشخصههای تشعشعی مطلوبی در مورد تشدید، امپدانس، سمتگرایی، الگوی تشعشعی و غیره نشان میدهند. بسیاری از کاربرد ها مورد استفاده قرار میگیرد. ساختار صفحه ای مسطح مدار چاپی یک لایه که دو طرف آن با مس پوشیده شده است، ترکیبی مناسب جهت تحقیق آنتن های LPDA است. برای طراحی چنین آنتنی، معادلات موجود متناوب دو قطبی لگاریتمی سیمی، با معادلات مربوط به طراحی خطوط صفحه ای، ترکیب شده و آنتن دوقطبی متناوب لگاریتمی صفحهای طراحی شده است. در بخش بعد روابط مورد نیاز برای طراحی این آنتن تشریح خواهد شد.
-2-2 LPDA
اول گام در طراحی آنتن LPDA مشخص کردن و از روی نمودار شکل2 است. برای این کار ابتدا میزان سمت گرایی را روی خط سمت گرایی بهینه شده که بر روی نمودار مشخص شده است، انتخاب میشود. در این مقاله سمت گرایی 8 dB با توجه به نمودار شکل2 برای این طراحی در نظر گرفته شده است. که به ترتیب مقادیر =0/9 و 0/15 به دست می آید. قدم بعد مشخص کردن محدوده فرکانسی کار آنتن می باشد که در طراحی 2-6 GHz انتخاب شده است.
سپس باید جنس زیر لایه و ثابت گذردهی و ضخامت آن مشخص شود. برای این کار زیرلایه از جنس FR4 که به ترتیب دارای مقادیر 4/4 و mm 0/8 برای ثابت گذردهی و ضخامت است، انتخاب شده است و کلیه ملاحضات طراحی برای این زیرلایه در نظر گرفته شده است. آنتنی که تا حدودی مفهوم مشابه مستقل از فرکانس دارد، آنتن متناوب لگاریتمی دو قطبی یا به اختصار LPDA ، توسط دوهامل و ایزبل طراحی و به دنیای مخابرات معرفی شد . به دلیل آنکه شکل کلی آن را نمیتوان به وسیله زوایا مشخص کرد، این ساختار واقعا مستقل از فرکانس نیست، اما تغییرات دامنه طرحهای قطعی، خیلی ناچیز است،
بنابراین عملا آنها مستقل از فرکانس هستند. یکی از عمومی ترین معایب بسیاری از آنتنهای فرکانس بالا این است که پهنای باند فرکانسی نسبتا کوچکی دارند. اما آنتن LPDA به علت پهنای باند فرکانسی بالا و بهره خوبی که دارد در طول بزرگترین عنصر دوقطبی با قرار دادن کمترین فرکانس کار در معادله - 5 - به دست می آید. فاصله هر عنصر با عنصر مجاورش با استفاده از معادله - 1 - بدست میآید. طول و عرض و فاصله بین هر عنصر با عنصر مجاور خود مطابق با نسبت هندسی به هم مربوط میشوند. به این ترتیب با مشخص کردن این سه پارامتر با استفاده از روابط معرفی شده برای طراحی نوع آنتن LPDA میتوان طول، عرض و فاصله بین سایر عنصرهای دوقطبی را به دست آورد.
