بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، یک شبکه متقارن شکلدهنده مود1 ، به عنوان بخشی از یک شبکه تغذیه آنتن مونوپالس فراپهن باند طراحی و شبیهسازی شده است. در چنین سیستمهایی جهت بکارگیری سیگنالهای دریافتی، به جای استفاده از یک آنتن آرایهای، از یک آنتن حلزونی چهار بازویی، برای ایجاد پرتوهای مجموع و تفاضل استفاده میشود. هدف اصلی از ایجاد این شبکه شکلدهنده مود، فیلترکردن مودهای ناخواسته و جلوگیری از انتشار آنها است. بازه فرکانسی در نظرگرفته برای این ساختار 2 تا 12گیگاهرتز است. با توجه به محدوده فرکانسی وسیع برای این شبکه، طراحی شبکه تغذیه آنتن مونوپالس کار ساده و راحتی نخواهد بود. همچنین دیگر نمیتوان از بسیاری عناصر شناخته شده مایکروویوی، در چنین سیستمهایی استفاده کرد. نتایج خروجی نشان دهنده این است که ساختار دارای تطبیق امپدانس بسیار خوبی - - < −است. میزان توان انتقالی به دهانه های خروجی به میزان 3 و 6 دسیبل است.
همچنین میزان ایزولسیون بین دهانههای ورودی با بیشترین مقدار - - < − ، مقادیربسیار مطلوبی برخوردار هستند. پس در کل این ساختار از نظر انتقال توان، ایزولسیون، تطبیق امپدانس و همچنین ایجاد فازهای مناسب در دهانههای خروجی عملکردی بسیار عالی و با میزان خطای پایین را داراست. ما در این مقاله توانستهایم به طور کامل بر مشکل و پیچیدهبودن طراحی شبکههای آنتن مونوپالس در باند وسیع فایق آییم. همچنین به طراحی و شبیهسازی عناصری بپردازیم که در چنین محدوده فرکانسی وسیعی کارایی و عملکرد مطلوب را داشته باشند، که این خود یک مزیت بسیار مهم در طراحی چنین سیستمها و عناصرمایکروویوی، جهت استفاده در کاربردهای فراپهن باند همانند جهتیابی و ردیابی ماهوارهای و راداری میباشد.
کلمات کلیدی- شکلدهنده مود، آنتن مونوپالس،آنتن حلزونی چهار بازویی، هایبرید جهتی، تغییردهنده فاز تفاضلی.
-1 مقدمه
استفاده از سیستمهای فراپهن باند2 برای شناسایی اهداف فعال3 و غیرفعال4، همواره مورد توجه طراحان بوده است. یکی از مهمترین کاربردهای سیستمهای فراپهنباند ردیاب، شناسایی و ردیابی منبع تشعشعکننده مانند یک رادار، و همچنین ردیابی و جهتیابی ماهوارهای]1[ است. سیستم مونوپالس از جمله سیستمهای جهتیابی است که، در رادارهای ردیاب کاربردهای فراوانی دارد. این سیستم در مقایسه با سایر سیستمهای جهتیابی از دقت و سرعت عمل باالیی برخوردار است.]2[ طراحی شبکه تغذیه و همچنین آنتنی با توانایی ایجاد خاصیت الگوهای مجموع و اختالف از جمله اجزای کلیدی سیستم مونوپالس بهشمار میرود3[ و .]4 بهترین روش برای دستیابی به شرایط فوقالعاده استفاده از آنتنهای مستقل از فرکانس با قابلیت چند بازو شدن مانند آنتن حلزونی، سینوسی و متناوب لگاریتمی است.]5[
پرتوهای مجموع و تفاضل در شبکه مونوپالس میتوانند از طریق روش آنتن آرایهای یا تک المانی4[ و ]6 ایجاد شوند.در استفاده از آنتن تک المانی به جای استفاده از آنتن آرایهای، جهت پردازش سیگنال آرایه میتوان از یک آنتن حلزونی چهار بازویی به همراه شبکه شکلدهنده مود]6[ به جهت دریافت سیگنالها از زیرگروهها و یااستفاده از سیگنال عناصر، استفاده کرد. با پردازش و برهمنهی خطی سیگنالهای شکلدهنده مود از یک آنتن حلزونی چهار بازویی، میتوان سیگنالهای پرتوهای ترکیبی مجموع و تفاضل را تولید نمود. پس به طور کلی، پردازش سیگنالهای دریافتشده از یک آنتن حلزونی با بازوهای چندگانه - به عنوان یک آنتن مستقل از فرکانس - مانند پردازش سیگنال آرایهای در الگوی تشعشعی است.
از آنجاییکه الگو پرتوهای مربوط به پرتوهای مجموع و تفاضل در تقریب اول، مستقل از فرکانس هستند، تخمین5DOA - "جهت ورود" - بدون در نظر گرفتن فرکانس امکان پذیر است. برخالف پردازش سیگنال بر روی عنصر یا سطح زیر آرایه در فضای پرتو، تمام سیگنالها همفاز هستند. بنابراین تخمین تک پالسی اجرا شده توسط آنتنهاي حلزونی، تنها مبتنی بر دامنه سیگنالهاي دریافتی و نه بر فاز آنهاست.]7[عالوه بر برآورد تک پالسی، میتوان الگوریتمهای فضایی با تفکیک پذیری باال را که از پردازش سیگنال آرایه مانند کاپون، MUSIC یا برآورد زاویهای راستنمایی 8[،]9 شناخته شدهاند، به سیگنالهای دریافتی از یک آنتن حلزونی چندبازویی اعمال نمود.
در کاربردهای عملی، باید ابهامات در برآورد - احتمال خطا - زاویهای را با توجه به قطبش سیگنالهای دریافتی کاهش داد. در ادامه مقاله به تحلیل این سیستم پرداخته شده است.با توجه به شکل - 1 - ، برای تولید پرتوهای مجموع و تفاضل در آنتن حلزونی چهار بازویی نیاز به یک شبکه برای تولید مود میباشد. بسته به نیاز به نوع مودها مختلف، میتوان این شبکهها را توسط عناصر مختلف مایکروویوی مانند انواع مختلف هایبرید، مجیکتی و تغییردهندههای فاز تفاضلی ایجاد کرد. شبکههای شکلدهنده مود به دو بخش متقارن و
غیرمتقارن تقسیمبندی میشوند. شبکههای متقارن ابتدا توسط آقای میلیکان]7[ و سپس توسط آقای شورتلی ]7[معرفی شدند. شبکه معرفی شده در این مقاله، همانند شبکه شکلدهنده مود آقای شورتلی، متقارن میباشد، که میتوان بلوک دیاگرام ساختار مربوطه را در شکل - 1 - مشاهده کرد. خروجی این شبکه متقارن به صورت ∆ - 2 - − ∑ - 1 - و - ∆ - 2 - + ∑ - 1 تعریف شده است. نکته مهمی که باید به طور دقیق به آن توجه کرد، این است که اوال طراحی عناصر موجود در این شبکه باید دارای کمترین میزان تغییرات دامنه و فاز در پهنای باند وسیع تعریف شده باشند. همچنین باید به نحوی اثر تغییرات در دامنه و فاز تا حد امکان در نظر گرفته نشود، چون این امر باعث خطا در ردیابی خواهد شد.
به دلیل اینکه تغییرات دامنه و فاز بر روی موقعیت صفر الگوی تشعشعی موثر هستند و در ردیابی ایجاد مشکل خواهد نمود. پس باید از شبکههای متقارن استفاده کرد.با توجه به شکل - 2 - ، مسیر سیگنال 2 − 1 از ورودی شکلدهنده مود به سمت هر یک از پایانههای آنتن دقیقا با مسیر 2 + 1 برابر و همشکل است. در نتیجه، با توجه متقارن بودن شبکه، تغییرات فاز بین بازوها به صفر رسیده و همچنین خطای محوری، صفر خواهد شد.در این مقاله به طور خاص به طراحی این شبکه برای تولید مودهای 1 و 2 پرداخته میشود، پس برای تولید این دو مود باید دو دهانه - 2 - و - 3 - ، جهت تطبیق به بار متصل شوند.
خروجی شبکه مربوطه جهت تولید مودهای 1 و 2 به ازای ورودیهای تعیین شده در جدول - 1 - و همچنین در شکل - 3 - برای حاصل 2 + 1 به صورت نمودار مختصاتی نشان داده شده است.با توجه به شکل - - 1، جهت طراحی ساختار نهایی به دو عنصر هایبرید 90 درجه و تغییر دهنده فاز 45 درجه برای باند فرکانسی انتخابی 2 تا 12گیگاهرتز نیازمندیم. روند طراحی ساختار مربوطه در دو بخش به صورت کامل آورده شده است. در بخش اول ساختار هایبرید و تغییر دهنده فاز مربوطه به تفصیل، بررسی و تحلیل میشود و در ادامه، در بخش دوم نتایج شبیهسازی و اندازهگیری ساختار ارائه خواهد شد.
-2 روش تهیه مقاله
در این بخش به تحلیل و بررسی مراحل طراحی این دو عنصر مایکرویووی میپردازیم. بخش طراحی به سه بخش - مرحله - تقسیمبندی شده است، در مرحله اول و دوم به ترتیب به طراحی و شبیه سازی هایبرید 90 درجه و تغییردهنده تفاضلی فاز 45 درجه در بازه 2 تا 12گیگاهرتز پراخته و در مرحله سوم عناصر طراحی شده با توجه به بلوک دیاگرام شکل - 1 - در محل مناسب خود قرار میگیرند و ساختار نهایی شکل خواهد گرفت. جهت طراحی تمامی عناصر از تکنولوژی استریپ الین با تکنیک خطوط غیریکنواخت امپدانسی استفاده میکنیم. استفاده از این روش باعث میشود که تغییر ناگهانی بین خطوط تزویجشده حذف شده که در این صورت می توان با طراحی هموار ساختار تزویجکننده میتوان ایزوالسیونودر نتیجه جهتدهی قسمت تزویجکننده را افزایش داده و از طرفی به پاسخ فاز مناسبتری در فرکانسهای باال دست پیدا کرد.
ساختار استریپ الینی ساختار از سه الیه دی الکتریک از جنس rogers5880 با ضخامتهای، الیه میانی mil5 و الیههای کناری mil31 استفاده شده است. با استفاده از این روش طراحی تزویج کننده90 درجه و تغییردهند فاز 45 درجه مورد نظر را شرح می دهیم.روند طراحی در این روش بدین گونه است که ابتدا باید امپدانس مشخصه مود زوج - 0 - - - را با انتگرالگیری نقطه به نقطه از توزیع ضریب بازتاب تک تک بخشهای تشکیل دهنده این عناصر را با استفاده ازرابطه - - = 21 0 - - بدست آوردیم، که در آن - - تابع توزیع ضریب بازتاب مود زوج در پورت ورودی خط تزویجکننده میباشد.
در نتیجه با بدست آمدن 0 - - میتوانیم منحنی خطوط تزویجکننده را طراحی کنیم. در ادامه باید به این نکته مهم توجه داشته باشیم که با افزایش طول خط تزویجکننده، نمودار تزویج این خطوط به نمودار تخت نزدیکتر میشود. به دلیل اینکه نمیتوانیم طول تزویجکننده را بینهایت انتخاب کنیم، پدیده گیبس رخ میدهد. برای بهبود این شرایط راهحلی ارائه شده است که در ادامه به آن میپردازیم. برای رفع این مشکل کافی است به جای یک تابع کامال تخت برای ضریب تزویج، یک تابع با نوسانهای سینوسی کوچک و یکسان و قابل قبول را در نظر بگیریم. در این صورت روند طراحی نتیجه بهتری خواهد داشت و پدیده گیبس رخ نخواهد داد. در این انتخاب با اعمال توابع وزنی جدید، رابطه - - 1 به صورت رابطه - 2 - تبدیل میشود-10[ .]12
که در آن ها توابع وزنی هستند. و از طریق رابطه - 3 - بدست میآیند.در ادامه با داشتن رابطه - 3 - مقادیر wهای مختلف و سپس با استفاده از مقادیر بدست آمده و همچنین با جایگزاری در رابطه - 2 - ، مقادیر امپدانسهای مود زوج جدید که دارای نوسان - ریپل - های یکسان هستند برای ساختار تزویجکننده هر دو عنصر به صورت مجزا را بدست می آوریم. اما در این مرحله باید به این نکته ضروری اشاره کنیم که توابع توزیع برای دو عنصر هایبرید و تغییردهنده تفاضلی فاز مجزا بوده و یکسان نیستند، که در ادامه به طور بیان خواهند شد.
