مقاله طراحی آنتن آرایه خطی با شکاف­های طولی برای رادار­های هواپایه

بخشی از مقاله

چکیده - آنتنهای شکافی رایجترین تابشگر در سیستمهای راه دور هستند. عمدتاً برای رادار، فضاپیما و کاربردهای موشک مورد استفاده واقع میشوند، این آنتن-ها شامل موجبرهایی که از شکافهای بریده اندازه یک توزیع خاص هستند که برای رسیدن به تطبیق و تشعشع خوب تشکیل شدهاند. در این تحقیق به طراحی یک آنتن آرایه خطی 40 شکافه طولی در باند X پرداختیم که مقدار بهره ، سطح گلبرگ کناری، پهنای باند و بازده در فرکانس 9,375 GHz بهترتیب برابر 22 dB، 14,3 dB؛، 454 MHz و 98 تا 99 درصد میباشد.

-1 مقدمه

امروزه بسیاری از کاربردهای سیستمهای مخابراتی کارآمد و قابل اطمینان در باندهای فرکانسی بالا مانند باندهای فرکانسی میلیمتری و زیرمیلیمتری میباشند. در بین این کاربردها، بعضی از آنها برای مقاصد نظامی مانند رادار و سیستمهای موشکی هدایتشونده هستند[1] و برخی از آنها برای مقاصد غیرنظامی و پزشکی مانند سیستمهای خودکار ضدضربه ماشین، تشخیص بیماری، تجزیه و تحلیل آب و هوا یا دستگاههای جدید پویش بدن میباشند.[2] لینکهای داده فوقالعاده سریع، برای جلوگیری از استقرار لینکهای هزینهبر فیبر نوری در حال نصب هستند.[3] برای بدست آوردن سرعت بالای انتقال داده لینکهای بیسیم، ضروری است که به باندهای فرکانسی بالا دست یابیم.

اگرچه محدوده فاصله توسط تضعیف انتشار ذاتی امواج محدود شده است. برای جبران سازی پدیده تضعیف، از آنتنهای بهره بالا یا آرایه - مجموعهای از تعداد زیادی از آنتنها - میتوان استفاده نمود. از معروفترین آنتن بهره بالا، میتوان آنتن بازتابنده را نام برد که عموماً برای دریافت و انتشار تلویزیونهای ماهوارهای، لینکهای داده فرکانس بالا، تلسکوپهای رادیویی و ارتباطات اعماق فضا استفاده میشود. با این حال خواص مکانیکی آنها برای سیستمهای کم حجم - کوچک - یا دستگاههای قابل حمل نامناسب است. راه حل دیگر، آرایههایی که وزن سبک، کوچک و آنتنهای صفحهای تطبیقپذیر سطح ، میباشد.

آرایههای آنتنهای پَچ واقعاً در طول سالهای اخیر به دلیل قیمت پایین آنها، طراحی آسان و انعطافپذیریشان مورد استقبال واقع شدهاند، اگرچه مقدار توانی که سیستمهای مبتنی بر زیرلایه میتوانند به کار برند کاملاً محدود شده است. علاوهبر این، استفاده از آنها به زیر فرکانسهای باند X محدود شده است.[4] آرایههای شکافی بهترین انتخاب برای تحقق بخشیدن به توان بالا، کم حجم - کوچک - و الگوی تشعشعی بهره بالا هستند.

آنها دارای خصوصیاتی از جمله تلفات کم، ساختار محکم و قابل اطمینان در فرکانس بالا هستند. آنتنهای شکافی رایجترین تابشگر در سیستمهای راه دور و یا حالات شرایط نامطلوب هستند. عمودتاً برای رادار، فضاپیما و کاربردهای موشک استفاده میشود، این آنتنها شامل موجبرهایی که از شکافهای بریده شده اندازه یک توزیع خاص برای رسیدن به نیازهای تطبیق و تشعشع تشکیل شده است. طول شکافها، موقعیت،

شیب و پهنا رفتار الکتریکی از نظر تشعشع و امپدانس داخلی را کنترل میکند.[5] برای دستیابی به پارامترهای ساختاری آن داشتن خصوصیاتی مانند بهره، سطح گلبرگ کناری و تلفات بازگشتی از آرایه ضروری است. همانطور که در شکل 1 مشاهده میکنید شکافها به 4 دسته مهم تقسیم میشوند: - الف - : شکاف طولی، موازی محور موجبر - ب - : شکاف عرضی و عمود بر جهت انتشار از مود تغذیه شدگی - پ - : شکاف مرکزی-شیبدار، که در مرکز محور موجبر قرار گرفته است و با یک زاویه خاص - - مشخص شده است - ت - : شکافهای مرکب، شیبدار- از محور موجبر جابجا شدهاند. شکافها همچنین میتوانند در جریانهای صفحات که روی سطحهای باریک هادی در گردش هستند، وقفه ایجاد کنند اما در اینجا برخورد نمیکنند.

اولین بررسیهای صورتگرفته در طی 40 سال اخیر در مورد آرایههای شکافی توسط آقایان [6] Stevenson، Watson [7] و 9] oliner،[8 انجام شده است. آقای Stevenson تئوری اولیه از شکافها در موجبرهای مستطیلی را ارائه داد و در مرحله اول سعی کرد یک شباهت با خطوط انتقال پیدا کند. فرمولبندی ریاضی برای ضریبهای انتقال، بازتابش و دامنه ولتاژ در دهانه توسط یک تابش معلوم صورت گرفته شده بود. تنها شرایط مقاومت یا رسانایی، بهترتیب شکافهای طولی یا عرضی بستگی دارد ریاضیات حاصل شده میتواند همیشه در تشدید و برای بینهایت دیوار هدایتی نازک باشد. آقای Stevenson همچنین در [6] به تخمین طول تشدید شکافهای موازی پرداخته است.

آقای oliner روی خواص امپدانسی از برش شکاف در سطح پهن یک موجبر مستطیلی در تشدید و روش آن تحقیق کرده است.[8,9] از طرف دیگر، تنها موضوع شکافها به مدلسازی آن تحت عنوان یک عنصر واحد پرداخته و عمومیترین مورد - شکاف مرکب - نادیده گرفته شده است. آقای oliner مدارهای معادل را برای شکافهای عرضی، طولی، مرکزی شیبدار و عبارات ریاضی به محاسبه اجزاها - ادمیتانسها/امپدانسها - از شبکههای معادل آنها برای محاسبه ضخامت دیوار ارائه داد. آقایان Gulick و Elliott اثبات کردند که این روش محدود است و ادعا کردند که مدلهای مداری بر اساس یک عنصر سری یا موازی فقط برای موجبر استاندارد مرتفع و یا جابجاییهای کوچک معتبر هستند11]،.[10 به دلیل اینکه شکاف میتواند توسط یک عنصر تکی نمایش داده شود اگر و فقط اگر رفت و برگشت امواج پراکنده شده از شکاف و دامنه یکسان و تغذیه آن بوسیله مد TE10 باشد.

آرایههای شکاف طولی برشی روی دیواره پهن موجبر مستطیلی هستند. شاید متداولترین شکل استفاده شده با توجه به عدم وجود اجزای پلاریزاسیون متقاطع در مقایسه با انواع دیگر شکافها باشد. روند طراحی Elliott برای آرایههای شکافی به دو روش معرفی میشوند روش اول تغذیه موج ایستا نام دارد که در آن شکافهای متساویالفاصله توسط نصف طول موج و موجبر کوتاه شده در یک طرف آن صورت میگیرد. توسط این روش، الگوی آرایه متقارن و متعامد شدهاند. در روش دوم شکافها هنوز متساوی الفاصله هستند، اما نه توسط نصف طول موج، موجبر به یک بار تطبیقی متصل شده است. این تغذیه موج رونده نامیده شده است.

تغذیه موج رونده اساساً دو مزیت دارد: یک بیم اصلی غیرمتعامد و یک پهنایباند بزرگ در مقایسه با تغذیه موج ایستا، بطوری که بهبود بیشتری داشته باشیم. ولی اگر فاصلههای شکافی را بهصورت نامساوی بگذاریم به علت خواص فاصله غیریکنواخت آرایهها، انتظار داریم به الگوهای متقارن بهره با پهنایباند بزرگتر دست یابیم14]؛. [12 در این مقاله ابتدا به تحلیل و طراحی آرایه شکافی طولی میپردازیم و سپس نتایج شبیهسازی آن را مورد بررسی قرار داده و در آخر به نتیجهگیری این مباحث خواهیم پرداخت.
 
-2 تحلیل و روند طراحی آرایه خطی با شکافهای طولی

یک شکاف طولی باریک زاویهدار روی دیواره پهن موجبر مستطیلی و آرایههای مربوط به آنها از N شکاف در شکل 2 نشان داده شده است.

الف: مدل شکاف طولی

ب: یک آرایه خطی از N شکاف