بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله، یک روش موثر طراحی براي آنتنهاي آرایهاي شکافی طولی خطی و صفحهاي - به همراه تغذیه با استفاده از شکافهاي مرکزي کج - بر پایه موجبر زیرلایهاي با استفاده از روش "حداقل مربعات" ارائه شده است. روش طراحی بر مبناي فرمولهاي طراحی الیوت براي موجبرهاي مستطیلی پر شده از ديالکتریک با در نظر گرفتن کوپلینگ متقابل داخلی و خارجی شکافها و تشکیل یک تابع خطاي چندگانه بر اساس اهداف طراحی - پترن تشعشعی موردنظر و تطبیق امپدانس ورودي - میباشد.
سپس از ترکیب روشهاي الگوریتم ژنتیک و گرادیان مزدوج جهت مینیمم کردن این تابع خطا و بدست آوردن پارامترهاي طراحی - ولتاژ تحریک، طول و آفست شکافها - استفاده میشود. این روش بسیار موثر میباشد، چون علاوه بر تحقق اهداف طراحی به طور همزمان، قابلیت سرعت طراحی بالا و سنتز پترن تشعشعی دلخواه را فراهم مینماید. در انتها مقایسه نتایج بدست آمده از روش فوق براي آرایههاي خطی و صفحهاي با نرم-افزارهاي تمامموج HFSS - و - CST انجام شده است که نشاندهنده تطبیق خوب و تایید کننده دقت این روش میباشد.
-1 مقدمه
آنتنهاي آرایهاي شکافی به دلیل مزایاي مهمی که دارند، در رادارها و سیستمهاي بیسیم موج-میلیمتري کاربردهاي فراوانی یافتهاند.[2-1] از مزایاي آنها میتوان به استحکام مکانیکی بالا، بهره زیاد و توان قابل تحمل مناسب اشاره کرد. در این کلاس از آنتنها، آنتنهاي شکافی طولی به دلیل پایین بودن سطح مولفههاي متعامد پلاریزاسیون داراي جایگاه ویژهاي میباشند. البته آنتنهاي شکافی بر پایه موجبر مستطیلی معمولی حجیم و داراي هزینه ساخت بالا می باشند و مجتمعسازي آنها با مدارهاي صفحهاي دشوار میباشد.
اخیرا ساختار موجبري جدیدي به نام موجبر زیرلایهاي - SIW - ارائه شده است که میتواند جایگزین بسیار مناسبی براي موجبر مستطیلی در اینگونه آنتنها شود.[7-3] مشخصات موجبرهاي زیرلایهاي بسیار شبیه به موجبرهاي مستطیلی میباشند. و آنها در حالی که مزایاي موجبر مستطیلی را حفظ میکنند، عیوب بیان شده در فوق را نیز بر طرف میکنند.
روند طراحی الیوت براي طراحی آنتنهاي آرایهاي شکافی طولی بر پایه موجبر معمولی را میتوان براي اینگونه آنتنها بر پایه موجبر زیرلایهاي استفاده نمود، با این توضیح که باید از مفهوم موجبر معادل براي موجبر زیرلایهاي استفاده شود. با توجه به ارتفاع کم این موجبرها، اثر کوپلینک داخلی مودهاي مرتبه بالاتر - خصوصا مود - TE20 بسیار بااهمیت است. بنابراین لازم است که براي طراحی آنتن شکافی بر پایه موجبر زیرلایهاي از معادلات بیان شده در [2] که هر سه منبع تولید میدان شکافها یعنی میدان تابشی - TE10 - ، کوپلینگ خارجی و کوپلینگ داخلی شکاف- ها را لحاظ کرده، استفاده نماییم.
در این مقاله، یک روش طراحی بهینه براي آرایههاي خطی و صفحهاي از آنتنشکافی طولی با استفاده از روش "حداقل مربعات" ارائه شده است. ابتدا تابع خطاي سهگانه- اي شامل معادلات طراحی، تطبیق امپدانس ورودي و پترن تشعشعی موردنظر تشکیل میدهیم و سپس با استفاده از روش کارآمد ترکیبی " الگوریتم ژنتیک -گرادیان مزدوج" به مینیممسازي این تابع خطا میپردازیم.
-2 تئوري طراحی
در این بخش، اصول لازم براي طراحی موجبر زیرلایه- اي و آنتن آرایهاي شکافی و همینطور روش بدست آوردن ادمیتانس نرمالیزه شکاف ایزولهشده آمده است. و در ادامه تغذیه آرایه صفحهاي با استفاده از کوپلر شکافی بیان شده است.
-1-2 موجبر زیرلایهاي
موجبر زیرلایهاي، یک ساختار هدایت موج میباشد که مشابه با موجبر مستطیلی میباشد، با این تفاوت که در این ساختار، دیوارههاي جانبی موجبر مستطیلی بوسیلهي حفرههاي فلز اندودشده جایگزین میشوند. در شکل -1الف این ساختار به همراه پارامترهاي مختلف مربوط به آن d - ، p، b، - aSIW نشان داده شده است. بسیاري از مفاهیم طراحی مربوط به موجبر مستطیلی میتواند به این ساختار جدید با استفاده از مفهوم موجبر معادل انتقال یابد که از آن جمله میتوان به آنتنهاي شکافی اشاره نمود.
-2-2 آنتن آرایهاي شکافی طولی
یک آرایه خطی شامل N شکاف و یک آرایه صفحهاي شامل M موجبر به طوري که بر روي هر موجبر N شکاف وجود دارد، در نظر گرفته میشود.
-3-2 ادمیتانس نرمالیزه شکاف ایزوله
از روشهاي مختلفی - اندازهگیري، محاسبات تحلیلی، شبیهسازي - میتوان براي محاسبه ادمیتانس نرمالیزه شکاف ایزوله شده - - Y/G0 استفاده کرد. در اینجا به دلیل سادگی و کم هزینه بودن روش شبیهسازي به کمک رایانه، از نرمافزار تمامموج HFSS استفاده شده است. مدل مورد استفاده در شکل -2الف نشان داده شده است که در آن ماتریس Y در پورت تست برابر با ماتریس Y در مرکز شکاف میباشد. با انجام شبیهسازي، میتوان منحنیهاي Y/G0 را نسبت به طول شکاف براي آفستهاي مختلف رسم نمود. و سپس یک معادله به شکل بسته براي ادمیتانس نرمالیزه شکاف ایزوله با تطبیق دادن مناسب چندجملهاي ارائه نمود.
-4-2 کوپلر شکافی
براي تغذیه آرایه صفحهاي از شکافهاي تشعشعی، از دو راه می توان استفاده کرد. روش اول، استفاده از شبکه تغذیه همصفحه با آرایه که داراي معایبی میباشد؛ افزایش سایز آنتن، تاثیرات نامطلوب بر پترن تشعشعی و افزایش سطح مولفههاي متعامد پلاریزاسیون. دومین روش - که در این مقاله مورد استفاده قرار گرفته شده است - استفاده از شکافهاي کوپلینگ میباشد که معایب فوق را برطرف می- کند. کوپلر شکافی مورد نظر در شکل 3 نشان داده شده است. مقدار توان کوپل شده از موجبر تغذیه به موجبرهاي شامل شکافهاي تشعشعی توسط طول Lm و انحراف θm شکافهاي کوپلینگ کنترل میشود. شکافهاي کوپلینگ به دلیل رسیدن به پهناي باند بالاتر معمولا رزونانسی در نظر گرفته میشوند.
