بخشی از مقاله
چکیده: در این مقاله یک ساختار آنتن آرایهاي جدید براي استفاده در سیستمهاي آرایه فازي به منظور جاروب کل فضا مورد بحث قرار گرفته است. المان-هاي بهکار رفته در ساختار آرایه به سبب کیفیت بهتر ارتباط و همچنین هزینه پایین ساخت از آنتنهاي مدار چاپی انتخاب شدهاند. براي کاهش ابعاد آرایه و افزایش درجه آزادي در طراحی آنتن، از ساختار دولایه روي یک سطح امپدانس راکتیو استفاده شده است.
ابعاد نهایی کوچک در کنار قابلیت تولید پلاریزاسیون دایروي مهمترین ویژگی ساختار ارائه شده است. پهناي باند امپدانسی بدست آمده از آرایه، - 450 MHz - %15 و پهناي باند پلاریزاسیون دایروي 120 MHz <3 dB - نسبت محوري - است. بهره ماکزیمم 14/3 dB براي حالت بدون چرخش در کنار سطح لوب کناري -34/1 dB بیانگر طراحی مناسب آرایه مذکور است. تمامی پارامترهاي آرایه در کنار رفتار آنتن با چرخش بیم، با استفاده از نرمافزار CST Microwave Studio بهصورت تمامموج بررسی و تحلیل شدهاند.
-1 مقدمه
با پیشرفت روزافزون تکنولوژي و خدمات آن در جوامع بشري، نیاز به طراحی سیستمهاي جدید و باکیفیت به منظور حرکت همگام با رشد جهانی شدیداً احساس میشود. فناوري ارتباطات و اطلاعات در زندگی عصر جدید جزئی جداناپذیر از روزمرگی انسانها بهشمار میآید. هر سیستم مخابراتی از بخشهاي مختلفی تشکیل شده است؛ آنتنها، خطوط انتقال، تقویتکنندهها، اسیلاتورها، مقسمهاي توان و جزو بخشهاي مهم تشکیل دهنده یک سیستم مخابراتیاند.
آنتنها به عنوان یکی از اصلیترین بخشهاي یک سیستم مخابراتی وظیفه ارسال و جمعآوري امواج الکترومغناطیسی را براي حصول ارتباط میان دو نقطه بر عهده دارند. طراحی آنتن جایگاه بسیار ویژهاي در میان محققان مخابراتی دارد، زیرا وجود یک آنتن مناسب منجر به افزایش چشمگیر کیفیت ارتباطات خواهد شد. انواع مختلفی از آنتنها در کاربردهاي مخابراتی بهکار میروند که با توجه به سیستم موردنظر براي فرکانسهاي متفاوت و در قالبهاي متنوع نظیر آنتنهاي سیمی، سهموي، رفلکتور، مایکرواستریپ و ... طراحی میشوند.
آنتنهاي مایکرواستریپ بنابر تکنولوژي آسان ساخت، هزینه کم، ابعاد کوچک و وزن کم از محبوبیت بیشتري در میان ساختارهاي آنتنی برخوردارند، اما این آنتنها بهره کم و بازده پایینی دارند. تکنیکهاي طراحی نظیر استفاده از آرایهها و اشکال متفاوت کمک شایانی به رفع این مشکلات خواهد کرد. استفاده گسترده از آنتنهاي آرایهاي در کاربردهاي صنعتی، پژوهشی و پزشکی ضرورت آشنایی با طراحی این نوع آنتنها را آشکار میسازد.
میزان فضاي اختصاص داده شده براي سیستم مخابراتی بهویژه بخشهاي حجیم آن نظیر آنتن یکی از چالشهاي مهم در طراحی سیستم ارتباطی است. به منظور پوشش کامل فضا از دو روش چرخش مکانیکی آنتن - با استفاده از سیستم مکانیکی چرخان - و چرخش الکترونیکی پرتو - با استفاده از آنتنهاي آرایه فازي - استفاده میشود. رصد و محافظت پیرامونی در ارتباطات رادیویی از روشهاي متفاوت و مختلفی قابل اعمال است؛ استفاده از موتورهاي پر قدرت براي گردش و چرخاندن سیستم مخابراتی براي ارتباط با سیستمهاي اطراف و یا ایستگاههاي ساکن یکی از روشهاي ذکر شده است.
اما با توجه به پرهزینه بودن آن و بزرگ بودن ابعاد ساختار بایستی به فکر روشهاي جایگزین بود. استفاده از سیستمهاي آرایه فازي با توجه به اسکن فضا به صورت الکترونیکی و عدم نیاز به ساختار حجیم، استفاده کمتر از سازههاي فلزي و همچنین سرعت بالاي چرخش، جایگزین مناسبی براي ساختارهاي مکانیکی است. سیستم آرایه فازي فعال با توجه به استفاده از مدارات مجتمع الکترونیکی براي کاهش چشمگیر فضاي اشغال شده نسبت به ساختارهاي آرایه فازي پسیو که از شیفتدهندههاي فاز فریتی و آنالوگ براي اسکن فضا استفاده میکنند، پیشنهاد مناسبتري است؛ بدین ترتیب با اشغال فضاي کمتر و صرف هزینه پایینتر شرایط برقراري ارتباط مطلوب فراهم خواهد شد.
یکی دیگر از مهمترین مشخصات آنتن نوع پلاریزاسیون آن است. مبحث انتخاب پلاریزاسیون مناسب براي ایجاد ارتباط رادیویی بهینه در لینک آرایه فازي از چند جهت حائز اهمیت است. شرایط جوي ناپایدار و بارشهاي جوي سبب چرخش بردار میدان الکتریکی و در نتیجه تغییر پلاریزاسیون موج در حین عبور از محیط میشوند که این پدیده به چرخش فارادي موسوم است. انتخاب پلاریزاسیون دایروي براي مقابله با این پدیده روش مناسبی است [1]، زیرا در این حالت با توجه به ساختار دایروي بردار میدان الکتریکی، چرخش فارادي تاثیري روي عملکرد لینک ارتباطی نخواهد داشت.
مساله مهم در ایجاد پلاریزاسیون دایروي، پیچیدگی بالاتر آنتن بویژه آنتن آرایه فازي خواهد بود. تولید پلاریزاسیون دایروي از آنتنهاي مایکرواستریپ در مراجع متعددي مورد بحث واقع شده است. براي افزایش پهناي باند در [2] از سطوح متامتریالی براي حصول پلاریزاسیون دایروي استفاده شده است. استفاده از ساختارهاي زمین تغییر یافته - DGS - 1 و ساختارهاي شکافی نیز در تولید پلاریزاسیون دایروي مورد بحث قرار گرفتهاند [5- 3] که عمدتا در محدوده فرکانسی باریکی عملکرد با پلاریزاسیون دایروي دارند.
ساختارهاي با تغذیه همصفحه 2 - CPW - نیز به همراه خط تغدیه مناسب با ایجاد دو مد عمود بر هم و با اختلاف فاز 90 درجه میتوانند براي پلاریزاسیون دایروي استفاده شوند ولی الگوي تشعشعی دو جهته خواهند داشت .[6] ساختارهاي آرایهاي تربیعی3 و موجبرهاي مجتمع زیرلایه 4 - SIW - نیز براي تولید پلاریزاسیون دایروي کاربرد دارند که مهمترین عیب آنها ابعاد بزرگتر در قیاس با سایر ساختارهاست [7] و .[8]
در این مقاله یک آنتن آرایهاي مایکرواستریپ 5×2 المانی در فرکانس 3 GHz با پلاریزاسیون دایروي پهنباند براي یک لینک ارتباطی بین دو وسیله متحرك طراحی شده است. المانهاي آرایه روي زیرلایه Rogers 4003 با گذردهی الکتریکی 3/38، تانژانت تلفات 0/0027 و با ضخامت 1/6 میلیمتر قرار گرفتهاند. استفاده از تکنیک سطوح امپدانس راکتیو 5 - RIS - براي کاهش ابعاد و افزایش راندمان تشعشعی از مشخصات مهم آرایه پیشنهادي بشمار میآید. کل ساختار آنتنی با استفاده از نرمافزار تمامموج CST Microwave Studio شبیهسازي و تحلیل شده است. استفاده از شکل-دهنده بیم6 دیجیتالی براي چرخش بیم اصلی آنتن پیشنهاد شده و عملکرد آرایه با چرخش بیم در زوایاي مختلف بهطور کامل بررسی شده است.
در بخش 2 بطور کلی به بیان ساختار المانهاي تشکیل دهنده آرایه و نحوه قرار گیري آنها در قالب آرایه پرداخته شده است. بخش 3 به نتایج حاصل از شبیهسازي آرایه آنتن و یررسی و تحلیل رفتار مناسب آنتن با چرخش بیم و سطح گلبرگ کناري - SLL - پایین در کنار چیدمان مناسب براي اسکن کل فضا اختصاص یافتهاست. نتیجهگیري از مباحث مطرح شده نیز در بخش 4 آمده است.
-2 طراحی آرایه آنتن
یکی از تکنیکهاي رایج در افزایش پهناي باند و کاهش ابعاد آنتن استفاده از سطوح امپدانس راکتیو - RIS - است. این سطوح در ساختارهاي چندلایه بکار رفته و با افزایش طول مسیر جریان منجر به کاهش فرکانس کار و در نتیجه کاهش ابعاد آنتن میشوند. تفاوت بین هادي مغناطیسی مصنوعی 7 - AMC - با سطوح امپدانس راکتیو - RIS - در فرکانس کاري آنهاست. بهطور کلی هر دو آنها را میتوان باسلف و خازن موازي مدل کرد. اگر مدار در حالت رزونانس باشد، مثل هادي مصنوعی و در سایر فرکانسها بهعنوان سطح امپدانس راکتیو عمل خواهد کرد.
تفاوت عمده در هادي مغناطیسی و سطح امپدانس راکتیو در فاز انعکاسی آنها خلاصه میشود. در هادي مغناطیسی بار و تصویر آن همفازند، بنابراین یک بار افقی بر روي یک صفحه هادي مغناطیسی همجهت با تصویر آن خواهد بود دقیقاً - برعکس بار عمودي - . عملکرد بار در حضور صفحه هادي الکتریکی برعکس هادي مغناطیسی است که بار و تصویر آن اختلاف فاز 180° دارند.
-1-2 ساختار المان تشکیل دهنده آرایه
المان تشکیل دهنده آرایه آنتن در شکل 1 نشان داده است. المان مذکور یک ساختار دولایه است که لایه بالایی یک آنتن مایکرواستریپ با گوشههاي بریده شده براي تولید پلاریزاسیون دایروي و لایه زیرین سطح امپدانس راکتیو براي کاهش ابعاد آنتن و افزایش پهناي باند پلاریزاسیونی است. این امر در ساختارهاي آرایهاي منجر به آزادي بیشتر در تعیین فاصله بین المانها و چرخش بیم خواهد شد.
آنتن پچ با یک کابل کواکسیال که بهصورت مستقیم به آن وصل شده است، تغذیه میشود. سطح امپدانس راکتیو از یک ساختار 5 در 5 مربعی تشکیل شده که روي زیرلایه FR4 با ضخامت 3/2 mm واقع شدهاند. ابعاد المانهاي سطح امپدانس راکتیو 5/4mm×5/4 mm است تا میزان دامنه تصویر بار در مقایسه با هادي الکتریکی و هادي مغناطیسی حداقل گردد. المان آنتن مایکرواستریپ یک پچ مربعی با ابعاد 29mm × 29mm است که روي زیرلایه Rogers 4003C با εr= 3/38، tanδ= 0/0027 و ضخامت 1/6mm طراحی شده است.
-2-2 ساختار آرایه
شکل 2 ساختار آرایه 5×2 المانی از آنتنهاي دولایه طراحی شده را نشان میدهد. ابعاد آرایه آنتن طراحی شده 162mm× 270mm × 4/8mm است. در طراحی آرایه، فاصله افقی بین المانها a= 48 mm و فاصله عمودي برابر b= 49 mm در نظر گرفته شدهاند که تقریبا برابر 0/9 λg در فرکانس کار 3 GHz است.
