بخشی از مقاله
چکیده: در این مقاله، یک آنتن آرایه بازتابی تک لایه و دو بانده در محدوده فرکانسی تراهرتز طراحی و شبیهسازي شده است. سلول پیشنهاد شده در این مقاله متشکل از دو رزوناتور از جنس نقره است که برروي زیر لایه سیلیکونی قرار گرفتهاند. ساختار پیشنهادي به گونهاي طراحی شده است که با تغییر اندازه بعضی از پارامترهاي سلول، میتوان به تغییرات فاز مناسبی در دو فرکانس 0.6 THz و 1 THz دست یافت.
دو طراحی مختلف براي آنتن آرایه بازتابی بر اساس سلول واحد دو بانده پیشنهادي انجام شده است. در طراحی اول، اندازه پارامترهاي فیزیکی سلول ها به گونه اي انتخاب شده است که به ازاي زاویه تابش 30 درجه، بازگشت موج به صورت عمود بر ساختار براي هر دو فرکانس رخ دهد. در طراحی دوم با انتخاب مناسب پارامترهاي فیزیکی المانها، به ازاي تابش -45 درجه، بازگشت موج در فرکانس 0.6 THz در زاویه 20 درجه و در فرکانس 1 THz، در زاویه صفر درجه و عمود بر آرایه اتفاق میافتد.
-1 مقدمه
آنتن هاي آرایه بازتابی به علت داشتن ویژگی هایی مانند وزن و حجم کم، مسطح بودن، هزینه ي ساخت پایین، سادگی در ساخت و قابلیت کنترل و شکل دهی خاص به پرتو، که می تواند موجب افزایش جهتدهی و بهبود بازدهی آنتن شود، مورد استفاده قرار میگیرند .[1] در کاربردهاي بهرهي بالا، به طور معمول از آنتنهاي بازتابی سهموي و یا آرایه فازي استفاده میشود.
اما ساخت آنتن هاي سهموي به علت هندسه خاص، دشوار است. استفاده از آنتنهاي آرایه فازي نیز به دلیل ابعاد بزرگ، وزن بالا و همچنین هزینهي بالاي ساخت، در بسیاري کاربردها مقرون به صرفه نیست. معایب ذکر شده در این دو نوع آنتن، موجب شده که براي دستیابی به آنتنهایی با بهرهي بالا از آنتنهاي آرایه بازتابی استفاده شود. ناحیه تراهرتز که محدوده فرکانسی 0.1-10 THz را دربرمیگیرد، داراي کاربردهاي بسیار متنوع و مهمی است. این ناحیه که در واقع پلی میان دنیاي الکترونیک و اپتیک است، براي سالهاي زیادي مورد توجه نبوده است.
محدوده فرکانسی تراهرتز به دلیل ویژگیهاي منحصر به فردش، امروزه در کاربردهاي پزشکی، امنیتی، نظامی، و صنعتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است .[2] یکی از الزامات سیستمهاي مخابراتی در باند تراهرتز آنتن آنها است. به دلایلی میزان راندمان آنتنها در محدوده تراهرتز به صورت ذاتی کم بوده و این، سبب کاهش بهره و مناسب نبودن ویژگیهاي تشعشعی آنها در بسیاري کاربردها میشود.
در سالهاي اخیر، آنتنهاي آرایه بازتابی در محدوده مایکروویو مورد توجه زیادي قرار گرفته است. با الهام از این نوع آنتنها، به تازگی مشابه آنها در محدوده فرکانسی تراهرتز طراحی شده است که علاوه بر افزایش بهره و راندمان آنتن، منجر به ایجاد قابلیتهایی چون امکان جست و جوي فضا و شکل دهی پرتو شده است -3] .[7 آنتن آرایه بازتابی متشکل از یک صفحهي تخت شامل تعداد زیادي عنصر تشعشعی است.
این صفحه تخت، توسط یک آنتن تغذیه مورد تابش قرار میگیرد. موج تابیده شده از آنتن تغذیه، با فازهاي مختلفی که ناشی از اختلاف فاصلههاي غیر یکسان المانهاي تشعشعی نسبت به آنتن تغذیه است، به این عناصر برخورد میکند. شکل این المانها به گونهاي طراحی و تغییر داده میشوند که بتوانند فازهاي متفاوتی را ایجاد نموده، به گونه اي که امواج بازتابی از سطح آرایه به صورت هم فاز در یک نقطه دلخواه در فضا جمع شوند و یک پرتو واحد با پهناي پرتو مطلوب را تشکیل دهند .[1]
در مرجع [3]، عملکرد یک آنتن آرایه بازتابی در یک فرکانس خاص در محدوده تراهرتز، به صورت آزمایشی نشان داده شده است. در این تحلیل رزوناتورهاي مربعی شکل از جنس طلا برروي زیرلایهاي از جنس قرار گرفتهاند و هچنین، در کف ساختار لایهاي از جنس پلاتینیوم بهعنوان صفحه زمین قرار گرفته است. در 5] و [6 آرایهاي از عناصر مستطیل شکل با طول و عرض متفاوت پیشنهاد شده است که انحراف متفاوتی را براي موج تابشی با قطبشهاي TE و TM ایجاد میکند. در مرجع [7]، نوارهاي باریکی از طلا به عنوان المان آرایه استفاده شده که رفتار متفاوتی از انتقال و انعکاس را براي دو قطبش TE و TM به همراه دارد.
در این مقاله نشان خواهیم داد که با طراحی دقیق سلول واحد، میتوان در فرکانس خاص، به زاویه شکست دلخواه دست یافت. ویژگی قابل توجه ساختار طراحی شده در این مقاله این است که این آنتن آرایه بازتابی، تک لایه بوده و در دو فرکانس 0/6 تراهرتز و 1 تراهرتز پاسخ مناسبی بدست میدهد. بهعبارت دیگر، ساختار طراحی شده داراي عملکرد دوبانده است. دو طراحی مختلف براي آنتن آرایه بازتابی بر اساس سلول واحد دو بانده پیشنهادي انجام شده است.
در طراحی اول، اندازه پارامترهاي فیزیکی سلولها به گونهاي انتخاب شده است که به ازاي زاویه تابش 30 درجه، بازگشت موج به صورت عمود بر ساختار براي هر دو فرکانس رخ دهد. در طراحی دوم با انتخاب مناسب پارامترهاي فیزیکی المانها، به ازاي تابش -45 درجه، بازگشت موج در فرکانس 0/6 تراهرتز، در زاویه 20 درجه و در فرکانس 1 تراهرتز، در زاویه صفر درجه و عمود بر آرایه اتفاق میافتد.
ساختار مقاله با توصیف قوانین شکست و فرمولهاي مربوط به آن در بخش 2 ادامه مییابد. در بخش 3 ساختار سلول توصیف میشود و جزئیات نحوه دو بانده شدن ساختار در فرکانس هاي 0/6 تراهرتز و 1 تراهرتز توضیح داده شده است. نتایج شبیهسازي آنتن آرایه بازتابی دو بانده را براي دو طراحی مختلف، میتوان در بخش 4 مشاهده کرد. در نهایت مقاله با جمعبندي خاتمه مییابد.
-2 قوانین موج بازگشتی
در طراحی آنتن آرایه بازتابی دو مرحله اصلی وجود دارد. در مرحله اول باید سلول مناسب، با توجه به نیاز مساله طراحی شود و مشخصه تغییر فاز به ازاي تغییر پارامترهاي سلول بهدست آید. در مرحله دوم، با توجه به رابطه میان زاویه تابش، زاویه شکست و موقعیت هر المان با میزان فاز مورد نیاز هر سلول، مقدار فاز مطلوب براي هر المان مشخص میگردد. سپس با توجه به نمودار تغییرات فاز برحسب تغییر پارامترهاي سلول، ابعاد عناصر موجود در سطح بازتابشگر بهدست میآید. شبیه سازيهاي انجام شده در این مقاله، با استفاده از نرمافزار HFSS انجام شده است.
دراین بخش نحوه محاسبه توزیع فازهاي گسسته مورد نیاز، جهت اعمال یک کنترل خاص بر روي پرتو بررسی میشود. جهت جلوگیري از کاهش بازده آنتن، پرتو باید در جهت مورد نظر به درستی شکلدهی شود. در شکل1، عملیات شکلدهی پرتو، نشان داده شده است. پرتوي تابیده شده در محدوده فرکانسی تراهرتز، با یک زاویه مایل نسبت به محور zها، به سطح آنتن آرایهاي برخورد میکند و در مسیر بازتاب، بسته به مقدار فرکانس موج تابیده شده با یک زاویه مشخص نسبت بهردار عمود منحرف میشود.
شکل .1 عملیات شکلدهی موج بازگشتی در دو فرکانس متفاوت بهمنظور انحراف موج تابشی به جهت دلخواه، فرمول فاز برگشتی از هر سلول باید ترکیبی از دو عبارت باشد. عبارت اول، جبران اختلاف فاز ایجاد شده توسط موج ورودي به دلیل اختلاف فاصله با المانها است. عبارت دوم، فاز مورد نیاز جهت ایجاد زاویه شکست مورد نظر را نشان میدهدکه این انحراف نیز به موقعیت سلولها وابسته است.
با انتخاب هندسه مناسب براي هر سلول، میتوان فاز پیشرونده را در یک فرکانس خاص بهدست آورد. سلول طراحی شده در این مقاله، در دو فرکانس 0/6 تراهرتز و 1 تراهرتز، پاسخ فاز مطلوبی را داراست، به گونهاي که با تغییر مناسب ابعاد فیزیکی سلول، میتوان انحراف پرتو مورد نظر در هر دو فرکانس را ایجاد نمود. پس از محاسبه فاز مورد نیاز هر المان در دو فرکانس مطلوب، مقدار پارامترهاي فیزیکی هر سلول، جهت دسترسی به این توزیع فاز، محاسبه شده است. در نهایت، یک ساختار فیزیکی براي آرایه بازتابی، براي هر طراحی دلخواه، پیشنهاد داده میشود.
-3 سلول دو بانده
میتوان استفاده کرد، تغییر پارامترهاي فیزیکی سلول است. به منظور آنکه سلول طراحی شده قابلیت این را داشته باشد که در دو فرکانس 0/6 تراهرتز و 1 تراهرتز، زاویه انحراف دلخواه و مستقل ایجاد کند، باید تغییرات دو پارامتر هندسی به صورت جداگانه و غیروابسته به هم، مورد بررسی قرار داده شود. در واقع، تغییر هر کدام از این پارامترها به تنهایی، کنترل تغییر فاز را در یکی از دو فرکانس ایجاد میکند. منظور از پارامتر هندسی مستقل این است که در هر فرکانس خاص، تغییر فاز تابعی از تغییر یکی از پارامترهاي سلول است.
بنابراین با تغییر هر پارامتر مستقل در فرکانس مناسب، تغییر فاز مورد نظر بهدست میآید. شکل 2 یک سلول دو بانده را نشان میدهد. این سلول از دو ساختار چاپی رزونانسی ساخته شده است که هر کدام مسئول تغییر فاز در یکی از فرکانسهاي 0/6 یا 1 تراهرتز هستند. زیر لایه ساختار از جنس سیلیکون با ثابت دي الکتریک 11/9 و تانژانت تلفات 0/001 و ضخامت 15 میکرومتر انتخاب شده است وکف ساختار، لایه هادي کامل با ضخامت صفر به عنوان زمین قرار داده شده است. در شبیهسازيها، از فلز نقره با ضخامت 0/2 میکرومتر بهعنوان تشدیدگر استفاده شده است.
علت انتخاب نقره بهعنوان تشدیدگر این است که یکی از بهترین رساناهاي شناخته شده در محدوده فرکانسی تراهرتز میباشداست. ابعاد سلول واحد و تمامی قسمتهاي مختلف آن، برحسب میکرومتر در جدول 1 نشان داده شده است. در جدول 2 خلاصهاي از تغییر دو پارامتر هندسی براي تغییر فاز، در فرکانس مرکزي مشخص آورده شده است.
