بخشی از مقاله
چکیده
متداول ترین نوع TSA، آنتن ویوالدی است. در این نوع آنتنها پارامترهای متعددی برای طراحی و برآوردن خواسته های طراح وجود دارد. یکی از اصلی ترین بخش های آنتن ویوالدی که پارامترهای زیادی در آن دخیل است، بخش تغذیهی آن هست. در این مقاله ابتدا روش تغذیه مناسبی را برای آنتن ویوالدی انتخاب کرده و مزایا و معایب آن را بررسی می کنیم.
سپس برای بهبود عملکرد این روش تغذیه، به ارائه طرحی جدید می پردازیم و ساختار جدیدی را برای آنتن ویوالدی طراحی می کنیم. در مرحله بعد به بررسی پارامترهای عمومی آنتن ویوالدی و پارامترهای ساختار جدید معرفی شده می پردازیم و اثر هرکدام در مشخصات آنتن را بررسی می کنیم. در انتها آنتن بدست آمده از مرحله طراحی را ساخته و تست می کنیم.
-1 مقدمه
در این مقاله روش جدیدی برای تغذیهی آنتن ویوالدی معرفی و در آن از ساختارهای فراکتالی در خط تغذیهی آنتن استفاده شده است. این روش تغذیه برای اولین بار در این مقاله معرفی شده است. با استفاده از این روش مشکلاتی که در طراحی و بهینه سازی استاب شعاعی خط تغذیه آنتن ویوالدی وجود داشت تا حد زیادی برطرف میشود. - 1 -
در روش معمول طراحی استاب شعاعی خط تغذیه آنتن ویوالدی، ابعاد استاب شعاعی به گونهای طراحی میشود، که در فرکانس مرکزی عرض باند آنتن همانند یک ختمشدگی اتصال کوتاه عمل کرده و انرژی را به خط شکافدار آنتن منتقل کند. - - 2 با فاصله گرفتن از فرکانس مرکزی عرض باند آنتن در این روش، ابعاد استاب شعاعی نسبت به طول موج تغییر کرده و دیگر همانند یک ختمشدگی اتصال کوتاه عمل نخواهد کرد.
در نتیجه از کارایی آن به شدت کاسته شده و انرژی را به نحو مناسبی به خط شکافدار آنتن منتقل نمیکند. در حقیقت مشکل اصلی در این روش این است که استاب شعاعی خط تغذیه، تنها یک فرکانس رزونانس داشته و با فاصله گرفتن از این فرکانس کارایی خود را از دست میدهد. - - 3 با استفاده از روشی که در این مقاله پیشنهاد شده است، این مشکل تا حدود زیادی بر طرف شده است.
در این مقاله با استفاده از ساختار فراکتالی مثلث سیرپرینسکی در استاب شعاعی خط تغذیهی آنتن ویوالدی، تعداد فرکانسهای رزونانس استاب افزایش مییابد. - - 4 در نتیجه پهنای باند عملکرد مؤثر استاب افزایش خواهد یافت. با افزایش پهنای باند عملکرد مؤثر استاب به عنوان یک ختمشدگی اتصال کوتاه، استاب شعاعی خط تغذیه در محدودهی وسیعتری از فرکانسها انرژی را به خط شکافدار آنتن منتقل کرده و در نتیجه پهنای باند آنتن افزایش مییابد.
با استفاده از روشی که در این مقاله پیشنهاد شده است، برای طراحی آنتن ویوالدی، باید ابتدا پهنای باند موردنظر برای آنتن و فرکانس مرکزی آن را تعیین کنیم. سپس ساختار فراکتالی استاب شعاعی را به گونهای طراحی کنیم که فرکانسهای رزونانس آن در محدودهای بزرگتر از پهنای باند آنتن قرار گیرد. در نهایت با بهینه سازی پارامترهای استاب شعاعی که در این مقاله مطرح شد و همچنین بهینه سازی سایر پارامترهای معمول آنتن ویوالدی، آنتن نهایی را طراحی می کنیم. با استفاده از این روش میتوان آنتنهایی با پهنای باند وسیع و مشخصات مطلوب - مانند آنتنی که در این مقاله طراحی شد - را به راحتی و به صورت مرحله به مرحله طراحی کرد.
مزیت اصلی این روش این است که با استفاده از آن، برای طراحی آنتنهای ویوالدی با پهنای باند وسیع دیگر نیازی به طراحی استابهای شعاعی متفاوت و بررسی روشهای گوناگون نیست. - - 5 بلکه کافی است فرکانس مرکزی عرض باند آنتن و پهنای باند آن را مشخص کرده و سپس فرکانسهای رزونانس استاب شعاعی را به گونهای انتخاب کنیم که به نحو مؤثری کل پهنای باند آنتن را پوشش داده و از هم فاصلهی زیادی نداشته باشند. در نهایت با بهینه سازی پارامترهای آنتن - مشابه روشی که در این مقاله انجام شد - ، آنتن نهایی را طراحی میکنیم.
-2 روش طراحی
همان طور که میدانیم ختمشدگیهای اتصال کوتاه که یکی از روشهای ایجاد آنها استفاده از استابهای 1/4 طول موج است، در مدارات مایکروویو کاربرد زیادی دارند. - 6 - روشی که در این مقاله برای طراحی استاب شعاعی خط تغذیه به کار گرفته شد، در انواع دیگر ختمشدگیهای اتصال کوتاه نیز قابل استفاده است. - - 7 در حقیقت با استفاده از ساختارهای فراکتالی در انتهای خطوط میکرواستریپ به گونهای که در این مقاله استفاده شد، میتوان ختمشدگیهای اتصال کوتاه جدیدی طراحی کرد که در آنها انتهای خط به جای یک فرکانس، در چند فرکانس - فرکانسهای رزونانس فراکتال - اتصال کوتاه است.
- 8 - با این روش میتوان استابهای اتصال کوتاه متفاوتی با طول یکسان و فرکانسهای رزونانس متفاوت طراحی کرد. در این مقاله طراحی آنتن را برای رسیدن به مشخصات و امپدانس ورودی در بازهی فرکانسی 3-11 GHzانجام دادیم. در ادامه مشخصات آنتن طراحی شده نهایی را بررسی میکنیم. شکل 1 نمودار VSWR آنتن طراحی شدهی نهایی در بازهی فرکانسی - 2-12 GHZ - را نشان می دهد.
همان طور که در شکل 1 مشخص است، آنتن طراحی شدهی نهایی در بازهی دارای بوده و در نتیجه پهنای باند آنتن برابر است. با توجه به پهنای باند آنتن و فرکانسهای قطع بالا و پایین آن، که در محدودهی پهنای باند سیستمهای UWB است، آنتن طراحی شده در این مقاله برای کاربردهای UWB بسیار مناسب هست. - 10، - 9
شکل 2 نمودار امپدانس ورودی آنتن را در بازهی فرکانسی نشان می دهد. همان طور که مشاهده میشود امپدانس ورودی آنتن در کل عرض باند آن دارای تغییرات اندکی است. همچنین امپدانس ورودی در فرکانس مرکزی عرض باند آنتن بسیار نزدیک به است. براین اساس امپدانس ورودی آنتن در کل عرض باند آن را میتوان با تقریب خوبی در نظر گرفت.
