بخشی از مقاله
چکیده - با توجه به اهمیت و نقش المان تشعشعی در عملکرد آنتن های آرایه ای بازتابی، در این مقاله یک المان جدید با مشخصه تغییر فاز تقریبی 900 درجه در باند X معرفی شده است. المان معرفی شده، شامل چهار رینگ محصور در یک ساختار مربع می باشد. تغییر فاز 900 درجه از تغییر ابعاد در یک بازه 15 میلیمتری ناشی شده است که برتری و عملکرد مطلوب المان معرفی شده را نشان می دهد. بر اساس روابط موجود، روال طراحی آنتن های آرایه بازتابی بیان شده و نهایتا ساختار پیشنهادی در نرم افزار HFSS شبیه سازی شده است.
-1 مقدمه
در سال های اخیر آرایه های بازتابی توجه زیادی را به خود جلب کرده اند و به عنوان یک گزینه مناسب برای جایگزینی آنتن های بازتابی سهموی در نظر گرفته شده اند. این توجه به علت گین بالا، سادگی ساخت و هزینه پایین می باشد. آرایه های بازتابی همچنین تلفات شبکه تغذیه را نیز حذف کرده اند و از نظر هزینه ماژول های فرستنده و گیرنده در مقایسه با آنتن های آرایه فازی که هر عنصر یک تغذیه دارد، مزیت و برتری دارد. پهنای باند باریک از جمله چالش های آنتن های آرایه ای بازتابی می باشد .[1]
فازهای متفاوت برای میدانهای تابشی که به واسطه مسیرهای با طول متفاوت بین آنتن تغذیه و عنصر ها ایجاد میشود، توسط تغییر فازهای از پیش طراحی شده برای عنصرها جبران می شود.[2] به عبارت دیگر عملکرد این آنتن شبیه به کارکرد بازتابنده سهموی می باشد که در آن با استفاده از خاصیت انحنای سطح هنگامی که آنتن تغذیه در نقطه کانونی سهمی قرار گرفته باشد یک جبهه موج مسطح در جلوی آنتن ایجاد می شود.
از همین رو گاهی به این نوع آنتن ها آنتن های بازتابنده تخت نیز گفته می شود. چرا که از ترکیب دو فناوری بازتابنده ها و آرایه ها شکل گرفته است .[3] از زمانیکه استفاده از آرایه های انعکاسی مایکرواستریپی گسترش یافته است روش های زیادی برای ایجاد تغییر فاز در اینگونه از آنتن ها ارائه شده است. به عنوان مثال می توان از پچ های مایکرواستریپی با اندازه متغیر[4]، دو قطبی ها با اندازه متغیر[5]، پچ های هم اندازه با خطوط تأخیر فاز با اندازه متغیر[6] و پچ های دهانه تزویجی با خطوط تأخیر فاز متغیر[7] نام برد. در بسیاری از طراحی ها استفاده از پچ های با اندازه متغیر به علت سادگی تحلیل و طراحی متدوال است.
بنابراین دراین مقاله از پچ های مایکرو استریپی با ابعاد متغییر برای طراحی آنتن آرایه بازتابی در باند X استفاده شده است. طراحی آنتن آرایه انعکاسی شامل چندین مرحله می باشد که مهمترین مراحل طراحی شامل : طراحی عنصر با داشتن تغییر فاز مناسب، طراحی توزیع فاز در صفحه آرایه، طراحی آنتن تغذیه و محل قرار گرفتن آن، به علاوه برای رسیدن به خروجی مطلوب نیازمند چندین مرحله بهینه سازی نیز می باشد. پارامترهای مورد نیاز برای بهینه سازی بسته به نوع طراحی و کاربرد آنتن دارد.
در این مقاله یک المان بازتابی جدید معرفی شده است که در باند فرکانسی X قابلیت ایجاد اختلاف فاز 900 درجه ای را دارد. این میزان از تغییر فاز با تغییر ابعاد آنتن در یک بازه 15 میلیمتری ایجاد شده است که از نقاط قوت این طرح می باشد. ساختار معرفی شده شامل چهار رینگ می باشد که هر کدام از آنها نیز درون یک مربع محصور شده اند. با تاکید بر خطی بودن تعییرات فاز ایجاد شده، نتایج شبیه سازی گویای این مطلب است که بازه ی خطی بودن تغییرات تا حد زیادی قابل قبول و مورد تایید می باشد. از این رو میزان خطای احتمالی در فرآیند ساخت نیز کاهش خواهد یافت. ساختار در نرم افزار HFSS شبیه سازی و تحلیل شده است.
-2 ساختار المان بازتابی
المان جدید طراحی شده، مطابق آنچه در شکل 1 نشان داده شده است، شامل چهار رینگ محصور در چهار مربع میباشد. به منظور بررسی اختلاف فاز ایجاد شده، لازم است ساختار به صورت پارامتری تعریف شود که در این طرح، برای ضلع بزرگ مربع مقدار متغیر a در نظر گرفته شده است - شکل . - 1 این نکته قابل توجه است که تغییر مقدار a منجر به تغییر کلی ابعاد المان خواهد شد.
روش به عنوان یک تئوری مناسب حل این دسته از آنتن ها مطرح می شود. ساختار المان پیشنهادی که بر مبنای روش حل فلوکه و تعریف پورت تحریکی فلوکه در نرم افزار HFSS تحلیل و شبیه سازی شده است، در شکل 2 نشان داده شده است. برای شبیه سازی ساختارهایی که به صورت متناوب هستند از تئوری آرایه بینهایت استفاده میگردد و کل ساختار تحلیل نمی شود که این موضوع مبنای تحلیل و تئوری فلوکه1 می باشد.
بر این اساس یک سلول با فرض تکرار بینهایت بار، شبیه سازی می شود. شرایط مرزی مناسب که به ساختار اعمال می شود، شرایط تحقق این موضوع را فراهم می کند. گرچه در آنتن آرایه ای بازتابی، المان ها دقیقا یکسان نیستند و شرایط تحقق تئوری فلوکه به صورت صددرصد فراهم نیست، اما نتایج این تئوری برای آنتن آرایه ای بازتابی به عنوان یک حل تقریبی قابل قبول است .[5]
پاسخ گرفته شده از تئوری فلوکه برای آنتن آرایه ای بازتابی تا حد قابل قبولی نتایج عملی را تایید کرده و امروزه این توزیع فاز در صفحه آنتن های آرایه بازتابی بایستی به گونه ای باشد تا بتواند فاز موج تابیده شد را به میزان مشخصی تغییر دهند تا در نتیجه، موج باز تابش شده در راه دور الگوی تشعشعی مورد نظر را ایجاد کند. به عنوان مثال برای داشتن آنتن با بیم باریک لازم است در راه دور امواج بازتاب یافته توسط آنتن جبهه هم فاز ایجاد کنند.
توزیع فاز مورد قابل محاسبه خواهد بود. براساس این تئوری، در شکل 3 با فرض تغذیه مرکزی و بیم عمود بر صفحه، اختلاف فاز مورد نیاز محاسبه و نشان داده شده است . این شکل نشان می دهد که برای جبران فاز در این صفحه نیازمند 700 درجه اختلاف فاز می باشد که می بایستی توسط المان های طراحی شده ایجاد شود. که q توان تابع الگوی تشعشعی آنتن تغذیه - آنتن شیپوری - می باشد که به صورت - - cosq مدل سازی می شود. مقدار q به صورت تقریبی از طریق پترن آنتن تغذیه مانند شکل 4 محاسبه می گردد.
-5 نتایج شبیه سازی
پارامتر a در ساختار المان پیشنهادی به عنوان متغیر در نرم افزار HFSS در نظر گرفته شده و میزان اختلاف فاز ناشی از تغییر آن محاسبه شده است.
