بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله یک سطح انتخابگر فرکانس -Frequency Selective Surface-FSS به عنوان یک شیلد الکترومغناطیسی UWB معرفی گردیده است. FSS پیشنهادی شامل یک المان شبه -Jerusalem cross- J.C و یک حلقه مسی است که در دو طرف یک سابستریت FR4 قرار گرفته است و میتواند -Shielding Effectiveness-S.E بهتر از 20dB در پهنایباند 90% در باند فرکانسی UWB از خود نشان دهد. این ساختار فشرده و نازک است و نتایج شبیهسازی و اندازهگیری آن از تطابق خوبی برخوردار هستند.
-1 مقدمه
پیچیدگی و حساسیت سیستمهای الکترونیکی و رایانهای و کاربرد روزافزون آنها در محیطهای اداری، صنعتی، پزشکی سبب شده تا ایمنی و کارکرد آنها مورد توجه خاص قرار گیرد و تلاش شود تا از ضریب اطمینان بالایی برخوردار گردند. بخشی از مشکلات کاربرد اینگونه تجهیزات ناشی از تداخل سیگنالهای ناخواسته و ایجاد اختلال در عملکرد آنها و آسیبدیدگی و یا حتی خرابی دستگاه میباشد. این پدیده میتواند موجب خسارات اقتصادی، صنعتی و یا صدمات جانی [1] شود. مهمترین راه مقابله با این پدیده شیلدینگ الکترومغناطیسی است .[2] از دیگر کارکردهای شیلدینگ میتوان به ساخت اتاقهای تست الکترومغناطیسی آنتنها و سایر تجهیزات اشاره نمود.[3]
هرچند شاید در نگاه اول بهترین گزینه جهت شیلد الکترومغناظیسی استفاده از یک صفحه فلزی به نحوی است که کل باند فرکانسی را فیلتر نماید ولی در عمل گاهی نیاز است که باند فرکانسی خاصی حذف گردد و یا عبور نماید. یکی از راههای تحقق چنین شیلدینگی استفاده از سطوح انتخابگر فرکانس است. FSSs فیلترهایی فضایی با ساختار پریودیک و از دسته EBGs هستند [4-17] که میتوانند از خود مشخصات [4-7]میانگذر یا میاننگذر [8-15] نشان دهد. FSSs به دلیل سادگی ساخت و ضخامت اندک خود میتوانند گزینه مناسبی برای کاربردهای شیلدینگ باشد.
حتی برخی از FSSs دارای مزیت شفافیت [18] و نیز چاپ روی پارچه میباشند.[8] لذا میتوان با استفاده از این نوع ساختارها از ورود امواج الکترومغناطیسی مزاحم در باندهای مورد نظر به ساختمانها و فضاهای مشخص در باندهای فرکانسی جلوگیری کرد. این صفحات حتی میتوانند بر روی دیوارها، پنجرهها ، درب شیشهای اجاق مایکروویو و ... قرار گیرند. از کاربردهای FSSs میتوان به استفاده در پوشش آنتنها به نحوی است که تشعشعات آنتن در فرکانس مورد نظر با حداقل تلفات عبور نماید و تشعشعات خارج باند آنتن حذف گردد. همچنین این نوع از پوشش میتواند با بهبود مشخصات آنتن نظیر کاهش SLL، کاهش موج سطحی و کاهش پلاریزاسیون متعامد ، سطح مقطع راداری آنتن را نیز کاهش دهد .[19]
در [20] یک روش برای کنترل دینامیک پهنای باند آنتن توسط FSS ها ارایه شده است. سلول واحد ترکیبی از دو لایه H شکل می باشد که در کنار یک دایود ورکتور قرار گرفته است. با استفاده از این روش پترن آنتن بوسیله تغییر ولتاژ میتواند از 13,2 تا 30,1 درجه تغییر نماید. FSSها در آرایهها نیز کاربرد دارند. به عنوان مثال در [21] با استفاده از بهبود SLL ، بازده و پهنایباند آرایه افزایش یافته است. و یا در [22] ساختار FSS باعث بهبود مشخصات یک آنتن آرایه قابل تغییر گردیده است. از دیگر کاربردهای جذاب FSSها میتوان به تبدیل موج با پلاریزاسیون خطی به دایروی اشاره نمود.[23-
24] کاهش سطح مقطع راداری اهداف [25] - targets - و همچنین ساخت صفحات جاذب [17,26] از دیگر کاربردهای FSSهاست. همچنین به منظور تغییر و یا کنترل مشخصات در ساختارهای FSS میتوان از المانهای اکتیو نیز [4,7,20,22] استفاده نمود . همانگونه که اشاره گردید شیلد منابع الکترومغناطیسی چالشی اساسی برای جلوگیری از تداخل-های ناخواسته، اختلال در عملکرد سیستمهای الکترونیکی و تهدید سلامتی انسان میباشد.
امروزه رشد روزافزون استفاده از تجهیزات ارتباطی نظیر موبایل، WLAN، WiMax و... در منازل و ساختمان های اداری باعث گردیده است که هر فرد در تمام مدت روز در معرض انواع تشعشات ناشی از دستگاههای خود و سیستم-های ساختمان های مجاور باشد. این امر در کنار مشکلات ناشی از تداخلات ناخواسته میتواند باعث کاهش کیفیت سلامت زندگی مردم گردد. از طرفی شیلد کامل الکترومغناطیسی با مواد جاذب معمولی و یا فلزات باعث حذف امواج سایر سیستمهای در منازل مانند موبایل خواهد شد که مطلوب نیست. یکی از بهترین و موثرترین راههای غلبه بر این مشکلات شیلدینگ موثر و انتخابی با استفاده از سطوح انتخابگر فرکانسی است. به عنوان مثال شیلدینگ فرکانسهای شبکه موبایل GSM و GPRS در [9-10,27] ارائه گردیده است.
در این مقالات با استفاده از طراحی مناسب صفحات FSS به S.E بهتر از 20dB در فرکانسهای GSM900 و GSM1800 دست یافتهاند. در [12] با استفاده از یک ساختار جاذب FSS شیلدینگ مناسبی در فرکانس WLAN بدست آمده است. در این مقاله با استفاده از جذب موج WLAN اثرات ناشی از پدیده چند مسیری کاهش پیدا نموده است. شیلدینگ با استفاده از سطوح انتخابگر فرکانس در فرکانسهای بالا نیز مورد توجه بوده است.
به عنوان مثال شیلدینگ EMI در [11] با استفاده از یک عنصر شکاف متعامد در باند فرکانسی 12.2-12.7GHz بدست آمده است. یکی از مشکلات عمده ساختارهای FSS پهنایباند باریک آنها است. در برخی از کاربردها نیاز است باند حذف یک FSS افزایش یابد تا ساختار بتواند طیف وسیعی از کانالها و امواج مزاحم را حذف نماید و شیلدینگ مناسبی بدست آید. به عنوان نمونه [13] با استفاده از یک آرایه از حلقههای مربعی و Crossed Dipole به IS21I<-10dB با پهنایباند 59.15% دست یافته است. اخیرا [30] با استفاده از یک ساختار یک لایه FSS به پهنای باند 73.1% برای کاربردهای UWB دست یافته است.در این مقاله با ترکیب یک Crossed Dipole و Ring به S.E بیشتر از 20dB در بازه فرکانسی 6.5-14GHz رسیده است.
پایین آوردن فرکانس کاری صفحه شیلد و افزایش پهنای باند آن برای پوشش بهتر باند فرکانسی UWB میتواند یکی از روشهای بهینهسازی [30] باشد. لذا در این مقاله با استفاده از بهینهسازی ساختار فوق و جایگزینی دوقطبی متعامد با ساختاری مشابه JC پهنایباند بیشتری از محدوده[30] در UWB پوش داده شده است. ساختار یک لایه ارائه شده ساختار معرفی شده با پوشش پهنایباند 90% در باند فرکانسی 4.9-13.8GHz برای S.E بهتر از 20dB میتواند جهت شیلدینگ UWB نسبت به [30] گزینه مناسبتری باشد.
لذا با در نظر گرفتن یک لایه بودن ساختار، پهنایباند بدست آمده بیشترین پهنایباند تا به امروز میباشد. این مقاله شامل چهار بخش است. پس از مقدمه در بخش دوم ساختار سلول FSS طراحی گردیده است. در این بخش پس از شبیهسازی کارآیی شیلدینگ سلول و کل صفحه FSS تحلیل پارامتری ساختار ارائه گردیده است. سپس در بخش سوم نتایج ساخت و گزار گردیده است. و در انتها و در بخش چهارم نتیجهگیری ذکر گردیده است.
-2 طراحی سلول
در شکل1 ساختار سلول FSS پیشنهادی نمایش داده شده است. هر سلول شامل المان J.C و یک حلقه در دو طرف یک برد FR4 با ضخامت 3.2mm، ثابت دیالکتریک 4.4 و تانژانت تلفات 0.02 میباشد. ابعاد هر سلول 12×12mm در صفحه xoy میباشد. برای شبیهسازی و طراحی ساختار ابتدا سلول مورد ارزیابی قرار گرفته است. در شکل2 دامنه و فاز پارامترهای پراکندگی ساختار J.C و حلقه با استفاده از نرمافزار HFSS شبیهسازی شده است.[31]
شکل2 نشان میدهد که پهنایباند ممنوعه IS21I<-10dB برای فرکانسهای رزونانس 5.6GHz و 15.6GHz ساختار J.C به ترتیب برابر 800MHz و 600MHz و برای فرکانس رزونانس 12.4GHz حلقه برابر 5GHz میباشد. با ترکیب این دو ساختار میتوان به پهنای باند ممنوعه وسیعی دست یافت. اما قرار گرفتن دو ساختار در دو طرف یک برد میتواند به دلیل ایجاد کوپلینگ متقابل کارکرد ساختار نهایی را مختل نماید. راه مقابله با افزایش کوپلینگ متقابل استفاده اززیرلایه با ضخامت بالاتر میباشد. به همین دلیل ضخامت برد 3.2mm انتخاب گردیده است. اما در هر صورت کوپلینگ متقابل میتواند باعث تغییر فرکانس های رزونانس دو ساختار و کاهش دامنه حذف موج عبوری گردد. در شکل3 دامنه و فاز پارامترهای پراکندگی سلول نهایی نمایش داده شده است.
مطابق تعریف هرچه موج عبوری از یک ساختار نسبت به موج تابشی به آن کوچکتر باشد S.E بالاتر و کارآیی شیلدینگ مناسبتر است. هدف از این مقاله نیز ارایه یک شیلد با قابلیت پوشش فرکانسی UWB میباشد. دو نوع تلفات در برخورد موج الکترومغناطیسی به یک سطح وجود دارد. بخشی از موج تابشی به یک سطح به سمت فرستنده انعکاس مییابد که به آن تلفات انعکاسی - Reflective - گویند و با R نشان میدهند. بخشی از موج نیز که وارد صفحه شیلد میشود در ضخامت لایه دچار تلف شده که به آن تلفات جذبی - Absorbtive - گویند و با A نمایش می-دهند. مقداری از موج وارد شده به دیواره با انعکاسهای متوالی قبل از عبور از صفحه شیلد دچار انعکاسات متوالی شده و این تلفات را با پارامتر B نشان میدهند.
