بخشی از مقاله
چکیده - یک آنتن شیپوری الکترومغناطیس عرضی - TEM - با صفحات هادی بازشونده نواری نمایی شکل قابل استفاده برای سیستمهای ارتباطی بیسیم طراحی و ساخته شده است. با کاهش بازشدگی ساختار این نوار نمایی عدم تطبیق افزایش و اندازه و قیمت آنتن شیپوری TEM کاهش مییابد. VSWR آنتن در باند فرکانسی 250 تا 400 کمتر از 2 و پهنای باند150 مگاهرتز و بهره آنتن در فرکانس 300 مگاهرتز برابر 5,64 میباشد. این عملکرد نشان میدهد که آنتن شیپوری TEM با ویژگیهای پهن باند است.
-1 مقدمه
امروزه شاهد سرعت توسعه ارتباطات بیسیم با پهنای باند بزرگ طوری که کاربردهای مختلفی با یک آنتن - یک ساختار انتقالی بین فضای آزاد و یک وسیله هدایتی - میتوان پوشش داد. اگر امپدانس و الگوی تشعشعی آنتنی در محدوده یک اوکتاو f 2 2 - f 1 ، f 1 فرکانس بالا و f 2 فرکانس پایین - یا بیشتر باشد به طوری که تغییر زیادی نکند، آن آنتن از آنتنهای پهنباند است. آنتنهای پهنباند و فرا پهنباند بسیار مورد توجه کاربردهایی از قبیل تستهای تطابق الکترومغناطیسی - - EMC، رادار، سیستمهای آشکارساز و سیستمهای ارتباطی باندپهن هستند آنتنهای پروانهای، لگاریتمی متناوب، حلزونی و شیپوری دو تیغهای قابل استفاده برای این کاربردها میباشند6]؛.[1 یکی از این آنتنها، آنتن شیپوری که تغییر شکل یافته آنتن موجبر انتها باز است، میباشد موجبر با انتهای باز که مد غالب را هدایت میکند همانند آنتن روزنهای عمل میکند.
خطوط میدان از طریق دهانه انتهایی باز موجبر وارد فضای آزاد میشود و در نتیجه توان تغذیه شده به موجبر به بیرون تشعشع میشود. میدان تشعشع شده به صورت یک پرتو مشخص، متمرکز نشده است. علت این موضوع این است که ابعاد انتهای باز در مقایسه با طول موج کوچک میباشد. بنابراین تنها مقداری از توان به بیرون تشعشع میشود و بیشینه توان در صفحه روزنه منعکس میشود. این عدم تطابق را میتوان با استفاده از شبکههای تطبیق کاهش داد. علاوه بر تأثیر ابعاد روزنه در الگوی آنتن، تفرق از لبههای این صفحه نیز تأثیر زیادی روی گلبرگهای کناری الگوی آنتن دارد. با گسترش ابعاد روزنه آنتن موجبر انتها باز در جهتهای میدان E و H و یا هر دو میتوان این مشکل را برطرف کرد.
آنتنهای شیپوری کاربرد وسیعی در طیف فرکانسی امواج میلیمتری دارند. ویژگیهای این نوع آنتنها از قبیل بهره زیاد، تلفات بازگشتی کم، پهنایباند مناسب و ساخت نسبتاً راحت باعث شده در کاربردهای مختلفی نظیر تغذیه آنتنهای انعکاسی، رادار، سیستمهای ردیابی ماهواره، جنگ الکترونیک، سامانههای جهت-یابی، تشخیص هدف، تستهای تطابق الکترومغناطیسی - EMC - و غیره مورد استفاده قرار گیرند. به دلیل کاربرد وسیع این نوع آنتنها، بهینهسازی پارامترهای آن توجه متخصصین طراح آنتن را به خود جلب کرده است. کار شیپور این است که یک جبهه موج یکنواخت در دهانهای بزرگتر از دهانه موجبر ایجاد کند تا بهره بیشتر شود.
آنتنهای شیپوری توانایی ایجاد پلاریزاسیون-های مختلف یا ترکیبی از پلاریزاسیونها را دارا هستند.[7] محققان جهت افزایش بهره و سمتگرایی آنتن پهنباند و غیرپراکنده شده، آنتن شیپوری TEM را ارائه کردند. امواج الکترومغناطیس عرضی - TEM - زمانی که تعداد هادیها دو عدد [14] Kanda یا بیشتر باشد میتوانند به وجود بیایند. امواج مسطح خود نمونه-ای از امواج TEM هستند چرا که در این نوع امواج هیچگونه مولفه میدان در جهت انتشار وجود ندارد، در این حالت هادیهای خط انتقال را میتوان به صورت دو صفحه بزرگ در ابعاد بی نهایت در نظر گرفت که تا بینهایت از هم جدا شدهاند. نتایج فوق نشان میدهد که یک هادی بسته امواج TEM را نمی-توانند پشتیبانی نمایند چرا که پتانسیل ساکن مربوط در چنین ناحیهای صفر است.[8]
ساختارهای مختلفی برای آنتن شیپوری وجود دارد که رایجترین آنها عبارتند از: آنتن شیپوری صفحه H، آنتن شیپوری صفحه E، آنتن شیپوری هرمی - ساده، دوتیغهای و چهار تیغهای - و آنتن شیپوری مخروطی - ساده، دوتیغهای و چهار تیغهای - .[7] که طرح اصلی آنتن شیپوری TEM بر اساس آنتن دومخروطی با طول بینهایت است. مکانیزم تشعشع آنتن شیپوری TEM نسبت به آنتن شیپوری معمولی متفاوت است جهت ماکزیمم تشعشع برای یک آنتن شیپوری معمولی در جلوی محور آن است در حالیکه برای آنتن شیپوری TEM جلوی محور معمولی است. همچنین آنتن شیپوری معمولی نمیتواند انتشار مد TEM را پشتبانی کند و برای این کار به یک هادی مرکزی نیاز دارد .
مکانیزم تشعشع آنتن شیپوری TEM را میتوان به کمک خط انتقال موازی توضیح داد یک نمونه خط انتقال موازی همراه با میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در شکل 1 نشان داده شده است. که w پهنای خط و l طول آن میباشد. یک زیرلایه دیالکتریک با ثابت دیالکتریک بین صفحات قرار داده شده است و h جداشونده بین صفحات است. با معرفی یک منبع به خط انتقال یک صفحه با پتانسیل مثبت و صفحه دیگر با پتانسیل منفی خواهیم داشت میدان الکتریکی از پتانسیل مثبت شروع و به پتانسیل منفی میرسد و میدان مغناطیسی همیشه توسط هادی حمل جریان احاطه شده است اگر منبع ولتاژ سینوسی از میدان الکتریکی با یک تناوب معادل سینوسی به منبع برسد زمان تغییر میدان الکتریکی و مغناطیسی امواج الکترومغناطیس ایجاد می-شوند که جلو خط انتقال در حرکت هستند در بینهایت امواج فضای آزاد خط انتقال توسط میدان الکتریکی شکل میگیرند. موج تشعشع شده در هوا حتی اگر منبع از مدل خارج شود، می-ماند.[7]
آنتن شیپوری TEM شامل یک جفت هادی مثلثی به شکل V است در ساختار آنتن شیپوری TEM از موجبر با صفحات موازی استفاده شده است این موجبر از دو صفحه مسطح تشکیل شده و برای تحلیل آن میتوان پهنای صفحات را در مقایسه با فاصله بین صفحات بسیار بزرگتر در نظر گرفت. آنتن شیپوری TEM توانایی ارسال و دریافت یک پالس زودگذر را دارد و امپدانس مشخصه آن بر حسب فرکانس ثابت بوده و با حذف اثرات پراش ناشی از لبه، یک موج کروی با پلاریزاسیون خطی تابش میکند. در شکل 2 تشعشع میدان الکتریکی و مغناطیسی آنتن شیپوری TEM از نمایه جلو نشان داده شده است.
الف - مدل خط انتقال صفحه موازی
ب - پخش میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در خط انتقال صفحه موازی
ویژگیهایی از قبیل پهنای باند ذاتی، ساخت آسان، اعوجاج کم، تشعشع یک جهته و غیر پراکنده را دارا میباشد. از آنتنهای شیپوری TEM جهت کاربردهای تابش پالس از جمله سیستم-های رادار نافذ زمین - GPR - و انتشار توانهای اخلالگر در سیستمهای مخابراتی، نظامی و جنگال استفاده میشود13]؛.[9 یکی از اهداف اصلی در طراحی آنتن شیپوری TEM بدست آوردن پهنای باند مناسب است. جهت رسیدن به این هدف محققان روشهای متعددی ارائه کردهاند: در سال 1982 آقای با قرار دادن یکسری مقاومت در آنتن شیپوری TEM و در سال 1996 آقای [15] Shalger با ورقه مقاومتی و در سال 2005 آقای [16] Chang به کمک نوار نمایی با تغذیه بالون ریزنواری و درسال 2006 آقای 18] Malherb،[17 به کمک نمایه بیضوی و خانم بسام [19] به کمک نوار چبی شف پهنای باند بزرگتری بدست آوردند .
-2 تحلیل و طراحی آنتن شیپوری TEM
مکانیزم آنتن شیپوری TEM - الکترومغناطیس عرضی - بر اساس انتشار موج رونده میان شکافهای دهانه نوار میباشد که نتیجه یک آنتن سرآتش است آنتن شیپوری TEM شامل دو خط یا صفحات فلزی نوار نمایی میباشد. فضای بین صفحات میتواند خطی یا نمایی باشد. آنتنهای نمایی خطی میتوانند به راحتی در مقایسه با نوار نمایی ساخته شوند. اگرچه نوار نمایی مزیت تغییرات افت امپدانس را دارد . این آنتن به عنوان یک مبدل تطبیق امپدانس و فضای آزاد عمل میکند.
یک آنتن شیپوری TEM میبنیمم مدت پاسخ به ورودی ضربه یا میدانهای خروجی را آماده میکند این عمل به وسیله محدود کردن مقدار مد انتشار در آنتن و با داشتن یک تطبیق امپدانس خوب در طراحی هر دو نقطه تغذیه و دهانه آنتن صورت میگیرد داخل آنتن میدانها باید در مد غالب که برای این آنتن مد TEM است بمانند در دیگر آنتنها از قبیل آنتن لگاریتمی متناوب و آنتن حلزونی یا آنتن شیپوری هرمی پراکندگی فاز میان انتشار موج هر عنصر اتفاق میافتد و در بسیاری از نتایج آنتن پاسخ زمانی میدان تعمیم داده میشود این عمل در حوزه زمان در شکل 3 و 4 نشان داده شده است.
شکل 3 پاسخ ضربه آنتن شیپوری TEM به ورودی شکل موج از یک مولد ضربه برای یک شکل موج با پهنای پالس تقریبی 300 پیکو ثانیه را نشان میدهد. ما میتوانیم ببینیم که آنتن شیپوری TEM میتواند پاسخ واردشونده دقیق از محیط مجاور تولید کند و میتواند اتفاق پراکندگی در حدود 5 نانو ثانیه را رفع کند. پاسخ ضربه یک آنتن لگاریتمی متناوب در شکل 4 نشان داده شده و در حدود 40 نانو ثانیه است.[20]
برای حفظ امپدانس مشخصه آنتن بایستی عرض صفحه و زاویه دهانه آن بدرستی انتخاب شود آنگاه شیپور یک مد TEM و شکلهای گذر یک خط انتقال زوج سیم موازی را به فضای آزاد هدایت میکند . پس، زاویه بازشدگی و طول یک خط انتقال زوج سیم مهمترین عوامل در طراحی هستند تا مشخصههای پهنباند آنتن شیپوری TEM محقق شود. برای طراحی بازشدگی و طول آنتن شیپوری TEM، صفحات آن میتواند چه بصورت خطی یا نوار نمایی تغییر کند برای بازشدگی، تطبیق از 50 اهم در نقطه تغذیه به 377 اهم در دهانه[21]، یک روش محبوب وجود دارد.
