بخشی از مقاله
چکیده
آنتنهای معمول بهعنوان یک وسیله فلزی - بهصورت سیم یا میله - برای انتقال یا دریافت امواج رادیویی تعریف میشود. اعمال جریان متناوب و شتاب دادن الکترونهای آزاد در فلزات میتواند باعث ایجاد تشعشع شود. میدانیم پلاسما بهدلیل چگالی زیاد ذرات یونی و الکترون رسانای خوب الکتریکی خواهد بود بنابراین در فناوری آنتن پلاسمایی از گاز یونیزه احاطه شده توسط یک تیوب شیشهای به عنوان رسانای بکاربرده شده در آنتن استفاده میشود. فرکانس تشدید در آنتنهای فلزی وابسته به طول آنتن میباشد اما در آنتنهای پلاسمایی با تغییر در چگالی الکترون میتوان فرکانس کاری را تغیییر داد.
این خصوصیت آنتن-های پلاسمایی به » قابلیت پیکربندی دوباره« موسوم است. در این مقاله ابتدا تئوری لازم برای طراحی آنتن پلاسمایی بررسی گردیده سپس با تکیه بر تئوری ذکر شده آنتن پلاسمایی مناسب در محدوده فرکانسی UHF طراحی شده است. شبیه سازی آنتن با استفاده از برنامه کاربردی CST studio suit 2016 که با استفاده از روش المان های محدود به حل مسایل میپردازد، انجام گرفته است.
مقدمه
بدون آنتن انرژی الکترومغناطیسی موضعی خواهد بود . - Cheng, 1989 - در لغت آنتن یک وسیله فلزی - به صورت سیم یا میله - برای انتقال یا دریافت امواج رادیویی تعریف می شود. به عبارت دیگر، ساختار ارتباط دهنده فضای آزاد و منبع تولید امواج که در تکنولوژی ارتباطات بی سیم مهمترین و پرکاربردترین مولفه است آنتن نام دارد. یک سیم صاف یا یک حلقه رسانای تحریک شده با یک ولتاژ از قبل تعیین شده می تواند به عنوان آنتن باشد.
آنتنهای سیمی از قدیمیترین و هنوز هم متداولترین انواع آنتنها هستند، تقریبأ هر شکل وترکیب یا آرایشی از سیم ها یک کاربرد مفید تشعشعی دارد. آنتنهای سیمی را می توان از سیم های توپر یا از هادیهای لولهای تو خالی ساخت، این آنتنها ساختار ساده و ساخت آسانی را داشته وهزینه بسیار کمی نیز در بردارند. اولین سوالی که درمورد آنتن ها ممکن است پرسیده شود این است که تابش چگونه اتفاق می افتد یا به عبارت دیگر امواج الکترومغناطیسی چگونه تولید می شوند که میتوان به صورت زیر پاسخ داد:
1. اگر حرکت بار نداشته باشیم در نتیجه جریان و تابشی وجود نخواهد داشت.
2. اگر بار با سرعت یکنواخت حرکت کند:
- اگر سیم صاف و بی نهایت باشد تابشی وجود نخواهد داشت.
- اگر سیم خمیده، کج، ناپیوسته، محدود یا کوتاه باشد تابش وجود خواهد داشت.
.3 اگر بار با زمان نوسان کند اگر سیم صاف و نامحدود هم باشد تابش خواهیم داشت
پلاسما1 گاز شبه خنثایی است که رفتار جمعی از خود نشان می دهد - Chen, 2006 - ، به عبارت دیگر می توان گفت واژه پلاسما به گازی خنثی در مقیاس ماکروسکوپیک اطلاق می شود که همه یا بخش قابل توجهی از اتم های آن یک یا چند الکترون از دست داده اند. ویژگی های غیرمعمول پلاسما باعث شد که در سال 1879 میلادی ویلیام کروکز2 برای اولین بار پیشنهاد حالت چهارم ماده را بدهد که در سال 1923 میلادی، لانگمویر3 در زمان مطالعه تخلیه الکتریکی4 آن را پلاسما نامید
در چگالی بسیار زیاد ذرات باردار الکتریکی پلاسما، انتشار امواج الکترومغناطیسی در آن مانند فلزات میباشد بنابراین با جایگزین کردن به جای فلزات در آنتن به نظر میرسد که رفتاری مطابق با آنتن معمول خواهیم داشت - . - Anderson, 2011 در سال 1919 آقای هتینگر5 پیشنهاد داد که گازهای یونیزه - پلاسما - میتوانند برای دریافت و تشعشع امواج مورد استفاده قرار گیرد
انتشار موج سطحی روی سطح بین ستون پلاسما و محفظه دیالکتریک اطراف آن حدود سال 1959 کشف گردید - . - Trivelpiece and Gould, 1959 ستون پلاسما با تحریک موج سطحی کاربردهای زیادی در علوم مهندسی بخصوص مخابرات به عنوان هادی در آنتن دارد. آنتن پلاسمائی6 نوعی آنتن رادیویی است که در آن اجزاء تابندهی فلزی با اجزاء پلاسمائی جایگزین شدهاند
اولین آنتن پلاسمایی در سال 1997 با ثبت اختراعی به نام آنتن RF با لوله گازی7 ارائه گردید - . - Norris and O'Bryant, 1997 بعد از این ثبت اختراع در سالهای بعد تا کنون مطالعات بسیاری برای بهبود و ساخت این آنتنها انجام گرفت
در کل الگوی تابشی8 آنتنهای پلاسمایی شبیه آنتنهای فلزی معمولی است اما با این قابلیت ویژه که با تغییر پارامترهای محیط پلاسما میتوان فرکانس کاری آن را بدون تغییر در هندسه آنتن تغییر داد . همچنین در این آنتنها میتوان با فشار دادن یک کلید، جریان یونیزه کننده گاز خنثی را که سبب ایجاد پلاسما میشود قطع کرده و آنتن را خاموش نمود و با برقراری مجدد جریان بلافاصله پلاسما را تولید و آنتن را روشن نمود.
در حالت خاموش این آنتنها بعلت نداشتن الکترونهای آزاد قابل آشکارسازی نبوده که یک مزیت بزرگ برای استتار میباشد. همچنین آنتن پلاسما دربرابر تهاجمات الکترومغناطیسی ناخواسته مقاوم و مستتر است. بعلاوه، به دلیل کاهش چشمگیر نویز حرارتی این آنتن نسبت به آنتن معادل فلزی، میتواند گزینه مناسبی برای ایستگاه زمینی در باندهای فرکانسی مختلف باشد و نرخ تبادل داده را به میزان قابل توجهی افزایش دهد
معمولا ستون پلاسما از یونیزاسیون یک گاز بی اثر مانند آرگون یا نئون ایجاد میشود. روشهای مختلفی برای یونیزاسیون و تولید پلاسما وجود دارد و در بین این روشها میتوان از تحریک با موج سطحی، تحریک DC ، تحریک با لیزر و ... نام برد
استفاده از گاز یونیزه شده با تحریک موج سطحی بهعنوان هادی، مزایای قابل توجهی دارد که از آن جمله میتوان به تغییرسریع فرکانس کاری، سطح مقطع راداری محدود و بسیارکم، برقراری لینک ارتباطی با قابلیت اطمینان بالا و قابلیت خاموش و روشن شدن سریع اشاره نمود. با استفاده از ستون پلاسما به عنوان آنتن، طول آنتن، با تغییر مشخصات فیزیکی تحریک پلاسما به سرعت قابل تغییر است و بهاین ترتیب با تنظیم سریع مشخصات فیزیکی آن میتوان آنتنی برای فرکانس جدید طراحی نمود
تئوری آنتنهای پلاسمایی
در این بخش ابتدا به انتشار امواج در محیط پلاسما خواهیم پرداخت و پلاسما را به عنوان یک محیط غیر خطی9 برای امواج معرفی خواهیم کرد، سپس نحوه محاسبه پرامترهای پلاسمایی مورد نیاز برای آنتنها را بررسی نموده و تئوری آنتن پلاسمایی بیان خواهد شد.
انتشار امواج الکترومغناطیسی در محیط پلاسما
برای محیطهای مختلف پاسخگویی اجزاء محیط به میدانهای الکترومغناطیسی یا پاشندگی متفاوت میباشد رابطه پاشندگی امواج در خلاء و محیط پلاسما به ترتیب بهصورت زیر میباشد:
که در آن K 0 عدد موج الکترومغناطیسی فرودی، عدد موج پلاسما،سرعت نور، فرکانس برخورد10، فرکانس موج الکترومغناطیسی فرودی و فرکانس پلاسما است و بهصورت ne e 2 تعریف میشود. در برهمکنش امواج الکترومغناطیسی با پلاسما، بخشی از انرژی موج فرودی از داخل محیط عبور میکند و بخش دیگر میتواند با توجه به چگالی محیط پلاسما بازتاب گردد.
اگر چگالی الکترون در پلاسما خیلی زیاد باشد طوری که p در این صورت K p موهومی خواهد بود و در داخل پلاسما انتشار نداریم و بهصورت یک رسانا عمل میکند. اما در چگالیهای الکترونی خیلی کم پلاسما یعنی در حالتیکه p فرکانس موج الکترومغناطیسی بسیار بزرگتر از فرکانس پلاسمایی است در این حالت در پلاسما امکان انتشار موج الکترومغناطیسی وجود دارد و پلاسما مانند یک دیالکتریک عمل خواهد کرد - Krall and Trivelpiece, 1973; . - Rukhadze et al, 2013 پس بدیهی است که در فرکانسهای کاری خیلی کمتر از فرکانس الکترونی میتوان از پلاسما به عنوان هادی در آنتن استفاده کرد.
محاسبه پارامترهای پلاسما
همانطور که از قسمتهای بالا معلوم است، پارامترهای پلاسما نقش اساسی در طراحی آنتنهای پلاسمایی ایفا میکند. بنابراین محاسبه این پارامترها اولین قدم در طراحی می باشد. پارامترهای پلاسما با توجه به نوع ایجاد پلاسما تعیین میشود که در این پژوهش روش تخلیه تابناک 11DC میباشد.
