بخشی از مقاله
چکیده
امروزه ، کوچک سازی آنتن ها با ابعاد بزرگ ، اهمیت زیادی دارد. از جمله روش ها ، برای کوچک سازی می توان به تکنیک استفاده کردن از بارگذاری اشاره کرد. آنتن هایHF ، آنتن هایی با فرکانس پایین هستند ، طول موج بلندی دارند و با توجه به اینکه آنتن های تک قطبی معمولا در نصف طول موج خود تشدید می کنند ، ابعاد آنتن بسیار بزرگ می شود ، که ساخت و قابلیت حمل چنین آنتن هایی همراه با دشواری خواهد بود.
هدف مقاله ، طراحی آنتن تک قطبی عمودی HF با ابعاد کوچکتر ، ساخت آسان تر و قابلیت حمل ، با استفاده از تکنیک بارگذاری سلفی است. بارگذاری سلفی در وسط آنتن با ایجاد امپدانس مثبت ، باعث جبران راکتانس خازنی با امپدانس منفی ایجاد شده ناشی از کوچک کردن آنتن تک قطبی در حالت عادی نصف طول موج می شود. از کاربرد های آنتن های HF می توان به ارتباطات راه دور بی سیم و کاربرد های نظامی اشاره کرد.
-1 مقدمه
آنتن ، وسیله ای برای تشعشع امواج الکترومغناظیسی است. هریک از انواع آنتن ها ، بر اساس فرکانس های کاربردی موردنظر ، تقسیم بندی و طراحی می شوند. آنتن های HF در محدوده فرکانسی 3 -30 مگاهرتز عمل می کنند. با توجه به پایین بودن فرکانس ، دارای طول موج بلندی هستند که تقریبا در محدوده 10 -100 متر قرار می گیرند. آنتن های HF ، در سیستم های رادار موج سطحی ساحلی سیار ، امنیت داخلی و کاربرد های نظامی استفاده می شوند. از نمونه کاربرد های نظامی آن ، آنتن های استفاده شده در زیردریایی ها و آنتن های قابل حمل در تانک ها و اتومبیل های نظامی است. این نوع آنتن ها ، بیشتر به عنوان آنتن های گیرنده استفاده می شوند و همچنین با توجه به کاربرد های برد بلند ، معمولا پهنای باند وسیعی ندارند.
روش های گوناگونی برای ساخت آنتن های HF وجود دارد ، با توجه به طول موج بلند و فرکانس پایین ، ابعاد آنتن ساخته شده بالاست. فرض کنیم اگر آنتن را بر اساس یک آنتن تک قطبی یا دوقطبی طراحی کنیم و با توجه به اینکه این نوع آنتن ها در نصف طول موج تشعشع می کنند پس آنتنی تقریبا در ابعاد 5 -50 متر خواهیم داشت که در عمل به سادگی قابل ساخت و حمل نیست. گرچه آنتن های HF ، در گذشته با ابعاد بسیار بزرگ برای کاربرد های مهم ساخته شده است.
امروزه با توجه به پیشرفت علم در حوزه های گوناگون در این زمینه نیز با تکنیک های مختلفی درصدد حل این چالش و بهینه کردن ابعاد هستند. برای کوچک سازی آنتن ها باید تعادلی بین کوچک سازی ابعاد و پارامتر های تشعشعی از قبیل پارامتر S ، الگوی تشعشعی ، بهره ، امپدانس و پهنای باند در نظر گرفت.
تکنولوژی های بی سیم نیاز زیادی به آنتن هایی با به ابعاد کوچک ، وزن کم و نصب آسان دارند . آنتن های تک قطبی ربع طول موج یکی از پرطرفدارترین آنتن های استفاده شده برای کابرد های زیادی از جمله سیستم های ارتباطی زمین پایه در باند های فرکانسی مختلف هستند1] و .[2 آنتن های تک قطبی در ابعادی معادل نصف طول موج خود تشدید می کنند.
برای آنکه بگوییم طول آنتن ، کوچک شده است باید رابطه king را در نظر داشته باشیم که در آن 2 a - m - 0.5 در نظر گرفته شده است. در این رابطه طول موج و a بزرگ ترین - m - بعد آنتن است. [3 ] طبق این رابطه برای مثال در فرکانس 15 مگاهرتز با طول موج 20 متر برای تشدید نیاز به آنتنی با طول 10 متر داریم. حال اگر ابعاد را کوچک کنیم باید طول آنتن را تقریبا به کمتر از 160 سانتی متر برسانیم .
در حوزه کوچک سازی آنتن های HF مقالات کمی منتشر شده است به نمونه ای از کارها می توان به طراحی جدید آنتن های کوچک الکتریکی HF با طول های بهینه در بعضی فرکانس های انتخابی با استفاده از حداکثر بعد حجمی ممکن اشاره کرد که در سال 2015 منتشر شده است [4] .همچنین می توان به طراحی آنتن تک قطبی دو المانه بسیار کوچک برای محدوده HF با ویژگی های مطلوب تشعشعی با استفاده از تکنیک بارگذاری سلفی اشاره کرد که در سال 2013 منتشر شده است.[5] از دیگر مقالات می توان به طراحی آنتن با ابعاد کوچک مارپیچی HF در سال 2009 اشاره کرد.
در این مقاله ، طراحی جدید آنتن تک قطبی در فرکانس های HF را در طولی کمتر از معیار کوچک سازی آنتن محقق کردیم که در واقع هم به قانون کوچک سازی آنتن برسیم و هم آن را از لحاط ابعاد بهینه کنیم. این کار با کاهش پهنای باند و مقاومت ورودی آنتن همراه خواهد شد. در بخش دوم ، با معرفی مسئله و روابط ، به موضوع مورد چالش می پردازیم و راهکار مورد نظر را ارائه خواهیم داد ، سپس در بخش سوم به تشریح ساختار و نتایج شبیه سازی آنتن تک قطبی مورد نظر با بارگذاری و در بخش پایانی ، جمع بندی این ساختار را بررسی خواهیم کرد.
-2 معرفی مسئله و بررسی راهکار آن
مسئله مورد نظر بدین شکل است که با توجه به اینکه ابعاد آنتن HF ، بزرگ می شود با راهکارهایی بتوانیم با همان ویژگی های مطلوب تشعشعی مورد نظر و البته کاهش پهنای باند و مقاومت ورودی آنتنی طراحی کنیم که هم کوچک بودن آنتن را تضمین کند و هم مشخصات مطلوب مورد نظر را بدست دهد.
برای این مهم ، آنتن تک قطبی عمودی را مد نظر قرار می دهیم . فرض می کنیم در فرکانس 15 مگاهرتز یک آنتن تک قطبی در نظر بگیریم این آنتن طبق کتاب های مراجع آنتنی در نصف طول موج که برابر 10 متر است تشدید می کند. [7 ] از لحاظ ساخت ، آنتنی به طول 10 متر دشواری زیادی دارد. ابتدا در نظر می گیریم آنتنی به طول دلخواه و قابل ساخت به طور مثال 80 سانتی متر در فرکانس 15 مگاهرتز تشدید کند پس از شبیه سازی متوجه خواهیم شد که در فرکانس 15 مگاهرتز تشدیدی ندارد ابتدا باید بررسی کنیم که عدم تشدید در این فرکانس با ابعاد دلخواه و کوچک چیست؟ باید در نظر بگیریم هر آنتن تک قطبی در هنگام کار کردن ظرفیت خازنی ناشی از تجمع بار های الکتریکی در طول آنتن خواهد داشت ، وجود ظرفیت خازنی که به صورت امپدانس منفی نمایان شده ، مانع از تشعشع آنتن مورد نظر در طول دلخواه می شود.
در این حالت آنتن از حالت تشعشع کنندگی به آنتن ذخیره شوندگی تبدیل می شود. اگر به نحوی این امپدانس منفی ناشی از کوتاه کردن طول به اندازه کوچک و قابل ساخت را با امپدانس مثبتی جبران کنیم ، باعث تشعشع آنتن خواهد شد. یکی از راه های ایجاد امپدانس مثبت بارگذاری آنتن با استفاده از سلف است ، قرار دادن سلف در پایه آنتن تک قطبی یا وسط آن و یا بالای آن باعث ایجاد امپدانس مثبت شده و امپدانس منفی ناشی از ظرفیت خازنی ایجاد شده را خنثی می کند.
لازم به ذکر است قرار دادن بارگذاری سلفی در وسط آنتن باعث افزایش مقاومت تشعشعی می شود ، چون دیرتر جریان الکتریکی تحریکی ورودی در طول آنتن روند کاهشی می یابد ، با توجه به اینکه جریان تحریکی ورودی آنتن در حالت یکنواخت از پایه آنتن تک قطبی اعمال می شود ، هرچه به طرف بالا می رویم ، اگر بارگذاری در پایه آنتن باشد ، روند کاهش جریان زودتر آغاز می شود و مقاومت تشعشعی کمتری نسبت به حالت بارگذاری وسط خواهیم داشت. [8] روابط مورد نظر درطراحی به شرح زیر است. ابتدا برای محاسبه طول موج با داشتن اندازه فرکانس و همچنین در نظر سرعت نور در خلا :
برای مثال برای فرکانس 15,496 مگاهرتز ، طول موجی برابر 19,37 متر خواهیم داشت . از طرفی طبق اصول آنتن تک قطبی عمودی در نصف طول موج یعنی 9,68 متر تشدید می کند. و با توجه به اینکه برای رعایت قانون کوچک سازی الکتریکی آنتن ، باید آنتنی طراحی کنیم که طبق رابطه زیر :
- در آن a بزرگترین بعد آنتن است - ، طولی کمتر از 1 متر و 54 سانتی متر باید داشته باشد.
فرض کنیم بدون تکنیک بارگذاری سلفی می خواهیم آنتنی تک قطبی عمودی به طول 80 سانتی متر طراحی کنیم همچنین قطر فلز مورد نظر آنتن را نیز به طور دلخواه تقریبا 5 سانتی در نظر بگیریم ، در شبیه سازی امپدانس منفی بدست آمده ناشی از ظرفیت خازنی تقریبا برابر -550 اهم خواهد بود. که با قراردادن در رابطه زیر مقدار ظرفیت خازنی آنتن در این فرکانس محاسبه می شود:
که با قراردادن مقادیر موردنظر ، ظرفیت خازنی این آنتن 18,66 پیکوفاراد خواهد شد. از طرفی برای بدست آوردن مقدار اندوکتانس مورد نیاز برای جبران راکتانس خازنی ایجاد شده طبق فرمول های مداری ، از رابطه زیر بدست می آید:
طبق رابطه 4 مقدار اندوکتانس محاسبه شده برای فرکانس 15,496 مگاهرتز برابر6,2 میکروهانری می شود.
-3 نتایج شبیه سازی
نرم افزار استفاده شده برای شبیه سازی ساختار آنتن مورد نظر ، نرم افزار CST Microwave Studio می باشد. آنتن موردنظر ، تک قطبی است پس زمین با توجه به آینه بودن ، برای اموج نقش موثری در عملکرد آنتن دارد ، در شبیه سازی به صورت زمین ایده آل - PEC - در نظر گرفته شده ، طبق کتاب آنتن بالانیس [7] ، قطر زمین مورد نظر معمولا نصف طول موج در نظر گرفته می شود. همچنین از دو فلز به عنوان تک قطبی بالا و پایین استفاده می شود که به طور دلخواه آلمینیوم و قطر آن به طور دلخواه 5 سانتی متر در نظر گرفته شده است.
در وسط این دو فلز به عنوان تک قطبی ، بارگذاری سلفی به صورت سیم پیچ با مقدار بدست آمده خواهیم داشت. برای تحریک این آنتن از Discrete port استفاده می کنیم ، این نکته را باید توجه داشت که با توجه به کاهش مقاومت ورودی آنتن و عدم تطبیق با 50 اهم ، نیاز به مدار تطبیق داریم که جداگانه به صورت طراحی مدار LC موازی بدست می آید. در این صورت این آنتن در طراحی های تک فرکانس دلخواه در باند HF تشدید کرده و عملکردی مانند آنتن تک قطبی در حالت نصف طول موج بدست می دهد. از طرفی طول آنتن مورد نظر با افزایش فرکانس کاهش می یابد.
