بخشی از مقاله
چکیده- آنتن با پلاریزاسیون دایروی با توجه به مزیتهای بسیار از جمله حذف پدیده چند مسیره، حساس نبودن به مکان و جهت قرار گرفتن آنتنهای گیرنده و فرستنده برای دریافت سیگنال، در صنایع هوایی و سایر کاربردهای مخابرات بیسیم توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در این مقاله چند آنتن جدید با پلاریزاسیون دایروی و ساختار ساده برای نصب بر روی پرنده و ایستگاه زمینی معرفی شده است. این آنتنها برای عملکرد در باند L و باند S طراحی شده اند.
برای پرنده دو آنتن با پلاریزاسیودن دایروی همه جهته یکی برای پوشش باند L و دیگری برای پوشش باند S طراحی شده است در این آنتن ها از استابهایی پرچمی شکل برای ایجاد مولفه افقی میدان و از یک تک قطبی استوانهای عمودی برای ایجاد مولفه عمودی میدان استفاده شده است. برای ایستگاه زمینی یک آنتن با پلاریزاسیون دایروی جهتی با پهنای باند بسیار زیاد که باند L و باند S را پوشش میدهد بعنوان تغذیه دیش طراحی شده است. در این آنتن از استاب-های بیضوی شکل برای ایجاد ویژگی پلاریزاسیون دایروی استفاده شده است. آنتنهای اشاره شده پس از طراحی اولیه ساخته شده و مورد تست و اندازهگیری قرار گرفته اند. نتایج اندازهگیری شده و شبیه سازی انطباق خوبی با یکدیگر دارند.
-1 مقدمه
در سیستمهای مخابرات بیسیم نوین، مخصوصا کاربردهای اویونیک و هوایی، آنتنهای با پلاریزاسیون دایروی به دلایل مزیتهای فراوان از جمله جلوگیری از تداخل چندمسیره ، جلو گیری از اثر چرخش فارادی ، همچنین مستقل بودن دریافت و ارسال سیگنال از جهت و محل قرار گرفتن آنتنها توجه بسیار زیادی را به خود جلب کرده است. اگرچه از بسیاری از آنتن ها با پلاریزاسیون خطی بر روی پرندهها استفاده میشود با این وجود با توجه مانورهای زیاد پرنده احتمال قطع شدن لینک اطلاعات وجود دارد بنابر این برای جلوگیری از این مشکل به آنتنهایی با پلاریزاسیون دایروی نیاز داریم در عمل کانالهای مخابراتی شامل موانع بسیاری میباشد و امواج الکترو مغناطیسی از مسیرهای مختلفی به گیرنده میرسند.
امواجی که بصورت مستقیم به آنتن گیرنده میرسند با امواجی که در اثر انعکاس به آنتن گیرنده میرسند از لحاظ دامنه و فاز بایکدیگر متفاوت هستند وباعث ایجاد تداخل در گیرنده میشوند که اصطلاحا تداخل چند مسیره گفته میشود. با استفاده از آنتنهای پلاریزاسیون دایروی با توجه به اینکه امواج در اثر انعکاس جهت پلاریزاسیون آنها تغیر میکند یعنی چنانچه راستگرد باشند بعد از انعکاس چپگرد میشوند و برعکس، تداخل چند مسیره کاهش میابد. همچنین بر خلاف آنتنهای با پلاریزاسیون خطی که برای داشتن یک ارتباط مطمئن بین فرستنده وگیرنده باید در یک راستا وجهت قرار بگیرند آنتنهای با پلاریزاسیون دایروی با توجه به اینکه هم مولفهی افقی و هم مولفهی عمودی را ارسال و دریافت میکنند جهت و راستای قرار گرفتن آنتنها در گیرنده و فرستنده اهمیت خاصی ندارد.
اخیرا تکنیکها و روش های زیادی برای ایجاد ویژگی پلاریزاسیون دایروی در آنتنها بکارگرفته شده است مانند استفاده از پچ دایرهای و استاب های L شکل معکوس [1] ، آنتن مونوپل با رزوناتورهای حلقهای مکمل [2]و استفاده از شکاف L شکل معکوس در آنتن مونوپل مستطیلی .[3] در [4] از دو اسلات عمود برهم برای ایجاد پلاریزاسیون دایروی استفاده میشود در [5] از دو شکاف مربعی در دو سمت مقابل از صفحه زمین برای ایجاد پلاریزاسیون دایروی استفاده شده است.
آنتنهایی که در بالا معرفی شدند دارای پلاریزاسیون خطی میباشند. برای پوشش دهی بیشتر سیگنال و ثابت نگهداشتن مشخصههای انتقال بهتر است آنتن-هایی با پلاریزاسیون دایروی همه جهته طراحی شود مخصوصا برای استفاده روی پرنده که حرکت و مانورهای زیادی خواهد داشت. یک روش ایجاد ویژگی پلاریزاسیون دایروی همه جهته، استفاده از چهار تشعشع کننده مستطیلی روی یک زیرلایه استوانهای انعطاف پذیر میباشد .[6] ترکیب تشعشعی این پچها پلاریزاسیون دایروی همه جهته را در یک صفحه بوجود می-آورد.روش دیگر استفاده از چیدمان شعاعی تشعشع کننده ها توسط هشت استاب تشعشعی که خط تغذیه را دربرمیگیرند انجام میشود .[7]
در این مقاله آنتنهایی با پلاریزاسیون دایروی همه جهته برای باند L و باند S جهت نصب روی پرنده طراحی شده است. این آنتنها شامل یک تک قطبی استوانه ای و یک صفحه زمین بهمراه استاب های پرچمی شکل میباشد. همچنین برای ایستگاه زمینی یک آنتن با پلاریزاسیون دایروی با پهنای باند بسیار زیاد بعنوان تغذیه دیش طراحی شده است که هر دو باند L , S را بتواند پوشش دهد. این آنتن مسطح روی دو طرف زیر لایه ای از جنس FR4 چاپ شده است دو استاب بیضی شکل که نسبت بهم 90 درجه اختلاف فاز دارند در یک سمت زیرلایه و دو استاب بیضی شکل دیگر در سمت دیگر زیر لایه برای ایجاد مشخصه پلاریزاسیون دایروی استفده شده است .
-2 ساختار و هندسه آنتنهای معرفی شده
در این قسمت ساختار و هندسه آنتنهای طراحی شده مورد بررسی قرار میگیرند. ابتدا آنتنهای با پلاریزاسیون دایروی همه جهته که بر روی پرنده نصب میشوند، توضیح داده میشوند. سپس ساختار آنتنی که برای تغذیه دیش در ایستگاه زمینی طراحی شده است مورد بررسی قرار میگیرد. در این مقاله برای راحتی کار آنتنها را شماره گذاری مینماییم به اینصورت که آنتن با پلاریزاسیون دایروی همه جهته باند L را آنتن شماره 1 ، آنتن با پلاریزاسیون دایروی همه جهته باند S را آنتن شماره 2 و آنتن با پلاریزاسیون دایروی جهتی پهن باند را آنتن شماره 3 مینامیم.
-3 ساختار و هندسه آنتنهای پلاریزاسیون دایروی همه جهته برروی پرنده
استوانهای بهمراه یک صفحه زمین که شامل 6 استاب پرچمی شکل میباشد، تشکیل شده است. این آنتنها روی یک زیرلایه دایرهای از جنس FR4 با ضخامت 1.6 mm قرار گرفته اند . این پرچمها شامل یک طول شعاعی Lr ، یک طول انحنا Lc و عرض پرچم W میباشند که در شکل نشان داده شده اند. این پرچم ها مولفه افقی میدان الکتریکی را ایجاد میکنند. مولفه عمودی میدان الکتریکی توسط یک تک قطبی استوانه ای که بصورت عمودی بر روی زیر لایه قرار گرفته است انجام میشود.
تغذیه این آنتنها از مرکز آنتن و توسط یک کابل کواکسیال 50 اهم انجام میشود. در واقع طراحی این آنتنها بسیار ساده و جدید میباشند. شیلد کابل کواکسیال به صفحه زمین پرچمی شکل وپین مرکزی کابل کواکسیال به یک تک قطبی استوانه ای با شعاع یکسان متصل میشود. برای راحتی ساخت از پین مرکزی کابل کواکسیال RG160 برای ایجاد این تک قطبی استوانه ای استفاده شده است.
با تنظیم طول تک قطبی استوانه ای و ابعاد پرچمهای صفحه زمین میتوان آنتن مورد نظر را در باند L و باند S طراحی کرد. با توجه به حرکات و مانورهای مختلف پرنده بهتر است از آنتنهای با پلاریزاسیون دایروی همه جهته استفاده کرد تا بتوانند در موقعیتهای مختلف سیگنال ارسالی را دریافت کنند. میتوان پهنای باند آنتن مورد نظر را تنظیم نمود. شکل 3 مقادیر شکل 3 مقادیر شبیه سازی و اندازهگیری شده تلفات برگشتی شبیه سازی و اندازهگیری شده تلفات برگشتی آنتن شماره 2 را شکل 4 تلفات برگشتی شبیه سازی و اندازهگیری شده آنتن شماره 2 نمایش میدهد. همانطوری که دیده میشود این آنتن برای پوشش لینکهای اطلاعاتی باند S پرنده مورد نظر ما که در محدوده 2000 تا 2600 مگاهرتز فعالیت میکنند طراحی شده است. مقادیر اندازه گیری شده و شبیه سازی شده انطباق خوبی با یکدیگر دارند. اندک تفاوت بوجود آمده ناشی از اثر اتصالات مختلفی است که در شبیه سازی ایده آل درنظر گرفته میشوند.
