بخشی از مقاله
چکیده - در طراحی آرایه منوپالس، برای رسیدن به پترن مناسب و سطح لوب های کناری پایین در هر دو کانال مجموع و تفاضل، توزیع های متفاوتی وجود دارد. برای کانال مجموع، معمولا از توزیع تیلوریا چبی شف یا مشابه آنها و برای کانال تفاضل از توزیع بیلیس استفاده می گردد. بدین منظور معمولا آرایه به چند زیر آرایه تقسیم شده و برای هر زیر آرایه شبکه مجموع و تفاضل جداگانه در نظر گرفته شده و در نهایت خروجی آنها با وزن دهی خاصی باهم ترکیب می گردند. هر چه تعداد زیر آرایه ها کمتر باشد، پیچیدگی و حجم شبکه تغذیه و هزینه ساخت و نگهداری ان بطور موثر کاهش می یابد.
در این مقاله برای یک آرایه خطی 24 تایی، یک شبکه تغذیه جدید و بهینه و بدون تلف ایجاد شده است که در ان کل آرایه تنها به سه زیر آرایه 8 تایی تقسیم شده است. با استفاده از یک شبکه توزیع ابداعی در زیر آرایه میانی و با کمک الگوریتم ژنتیک، یک توزیع با تقریب بسیار نزدیک به تیلور و بیلیس، به ترتیب در کانال های مجموع و تفاضل ایجاد گردیده است.
-1 مقدمه
آنتن های آرایه منوپالس که اغلب برای ردگیری زاویه در یک یا دو بعد بکار می روند، در سامانه های مخابراتی و راداری کاربرد گسترده ای دارند.[1] در ساده ترین آرایه خطی منوپالس از دو عنصر آنتن استفاده می گردد. خروجی این دو عنصر در کانال مجموع - - بصورت هم فاز جمع شده و یک بیم جهتی متشکل از همه عناصر انتن تشکیل می دهد. اما خروجی دو عنصر، در کانال تفاضل - - با فاز 180 درجه باهم جمع می گردند. بدین منظور از یک هایبرید 180 درجه می توان برای تشکیل کانالهای مجموع و تفاضل استفاده کرد.
برای دستیابی به یک الگوی خوب با سطح گلبرگ کناری قابل قبول در کانال مجموع، معمولا از توزیع دامنه تیلور یا چبی شف یا مشابه آنها استفاده می گردد که در این توزیع عناصر وسطی نسبت به عناصر کناری با ضریب دامنه بالاتری تحریک می گردند. در کانال تفاضل برای کسب شرایط مشابه در سطح لوبهای کناری، مناسب ترین توزیع دامنه، توزیع بیلیس1 است که در اغلب آرایه های منوپالس از این توزیع استفاده می گردد.[3] در این جا از پرداختن به معادلات توزیع های تیلور و بیلیس خودداری کرده و فقط به شکل توزیع آنها اکتفا می کنیم. این دو توزیع در شکل 1 نشان داده شده اند.
-2 روش های پیاده سازی شبکه توزیع منوپالس
همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود، این دو توزیع تفاوتهای زیادی باهم دارند. عمده ترین مساله این است که در توزیع تیلور عناصر وسطی بیشترین مقدار دامنه را دارند و عناصر کناری حداقل هستند در حالیکه در توزیع بیلیس عناصر وسطی کمترین اشتراک را دارند و بالاترین دامنه مربوط به عناصر میانی بوده و دوباره در عناصر کناری سطح دامنه تحریک کاهش پیدا می کند.[3]
روش اول در حالت تئوری بهترین انتخاب است چون با آزادی عمل کامل می توان دقیقا به الگوی دلخواه در هر کانال دست پیدا کرد اما داشتن دو شبکه تغذیه جداگانه، هزینه و پیچیدگی و شلوغی شبکه تغذیه را زیاد کرده و به خصوص در باندهای فرکانسی پایین - نظیر طرح فعلی - که از خطوط انتقال کواکسیال استفاده می گردد، نگهداری و قابلیت اعتماد را پایین می آورد و در عمل کمتر استفاده می گردد.
روش دوم از دیرباز در فرکانس های مایکرویو که از شبکه تغذیه موجبری استفاده می گردد، کاربرد زیادی دارد.[4] در طرح فعلی پیاده سازی روش دوم با خطوط انتقال کواکسیال امکان پذیر نبوده و ایجاد تزویج های مختلف توسط ماجول های جداگانه، کارآیی شبکه تغذیه را پایین می آورد. در روش سوم نخست کانال های مجموع و تفاضل برای هر زیر آرایه ایجاد می گردد.
سپس خروجی زیر آرایه ها با یک ضریب تحریک مناسب دوباره باهم ترکیب می گردند. هرچه تعداد زیر آرایه بیشتر باشد، جواب دقیقتر بوده و به روش اول نزدیکتر شده در شکل 2، خروجی های و نخست بین دو زیر آرایه کناری و همچنین درزیر آرایه وسطی تشکیل شده است و در نهایت توسط دو ترکیب کننده توان و با نسبت های نامساوی، دو خروجی تفاضل و دو خروجی مجموع با هم ترکیب گردیدهاند. در هر زیر آرایه که متشکل از 8 عنصر آنتن می باشد، نسبت تقسیم توان بین عناصر یکسان نمی باشد تا بتوان به یک توزیع مناسب دست پیدا کرد.
نکته قابل توجه در طراحی این است که در داخل زیر آرایه های کناری، مسیر عبور سیگنال و در نتیجه نسبت تقسیم برای هر دو مسیر مجموع و تفاضل یکسان است و این موضوع بایست در طراحی شبکه مد نظر قرارگیرد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، دو توزیع تیلور و بیلیس در دو زیر آرایه کناری تشابه نسبی در نسبت توزیع دارند. چالش اصلی در زیر آرایه میانی می باشد و در این بخش امکان عبور سیگنال های و از یک مسیر واحد وجود ندارد. در این زیر آرایه نسبت توزیع بین کانال های و کاملا متفاوت است یعنی ماکزیمم و مینیمم توزیع ها در وسط آرایه کاملا متضاد بوده و شیب منحنی دامنه نیز معکوس همدیگر می باشد.
-3 طراحی شبکه تغذیه زیر آرایه میانی
طراحی یک شبکه واحد برای زیر آرایه میانی در شکل 2 که هر دو توزیع را ایجاد کند، چالش اصلی این مقاله بوده و ابتکار و نوآوری قابل ادعا برای طرح، مربوط به این بخش می باشد. برای حل این موضوع یک تقریب از کانال های و در زیر آرایه میانی در شکل 3 نشان داده شده است. آنگونه که در ادامه خواهیم دید، این دو تقریب پاسخهای نزدیکی به توزیعهای اصلی دارند و چالش اصلی نحوه ایجاد این تقریب ها به صورت فیزیکی است.
با توجه به شکل های 2 و 3 درمییابیم که شبکه تغذیه زیر آرایه میانی یک ماجول 6 پرتی است که در صورتی که سیگنال تزریقی s از پرت 1 تزریق گردد، بایست با دامنه و فاز یکسان در هر چهار پرت خروجی ظاهر شود. اگر سیگنال تزریقی از پرت 1 باشد، در دو پرت وسطی B وC، هیچ سیگنالی ظاهر نشده و تمام سیگنال بایست در دو پرت کناری A وD این ماجول ظاهر شود و در ضمن اختلاف فاز بین این دو پرت 180 درجه باشد. این موضوع به طور خلاصه در جدول 1 نشان داده شده است.
نکته بسیار مهم در طراحی این ماجول بدون تلف بودن آن است یعنی اینکه نبایست بنا به نیاز تطبیق بودن و ایزوله بودن شبکه، بار تطبیقی در پرت های داخلی آن در مسیر سیگنال لحاظ شود و بخشی از توان ورودی در انها تلف گردد. لذا مجموع توان خروجی در 4 پرت، بایست معادل توان تزریقی از هر پرت 1 و 1 باشد. اگرچه تابع ورودی-خروجی جدول1 به ظاهر ساده است اما پیاده سازی آن با یک یا چند قطعه بدون تلف به راحتی امکانپذیر نمیباشد.
به علاوه، در صورتی که بخواهیم این نسبت تقسیم توان صورت گرفته و تطبیق پرتهای ورودی و خروجی نیز رعایت گردد و ایزولاسیون کافی نیز بین پرت ها وجود داشته باشد، مساله پیچیده تر میشود. در این طرح با یک چیدمان ابتکاری از 5 قطعه هایبرید 180 درجه و اتصال مناسب پرت های ورودی و خروجی انها توانستیم به خروجی مورد نظر با تمام شرایط ذکر شده فوق دست پیدا کنیم. بلوک دیاگرام داخلی شبکه تغذیه زیر آرایه میانی در شکل4 نشان داده شده است همانطور که از شکل 4 مشاهده می شود، تمام پرتهای شبکه تطبیق بوده و بارهای اهمی استفاده شده، در پرت های ایزوله هایبریدها بکار رفتهاند و تلفاتی در مسیر سیگنال ایجاد نمی-کنند. ضمنا پاسخ فاز و دامنه مطابق جدول 1 است.
-4 محاسبه توزیع بهینه کانال های مجموع و تفاضل
حال که موفق شدیم جواب مورد نظر در شکل 3 را با مدار نشان داده شده در شکل 4 پیاده سازی نماییم، دوباره به بلوک دیاگرام اصلی در شکل 2 باز می گردیم و توزیع بهینه برای کانال های و را بدست می اوریم. با توجه به اینکه بسیاری از قطعات تقسیم/ترکیب کننده، برای مسیرهای تفاضل و مجموع عملکرد یکسان دارند، دستکاری در انها هر دو توزیع را تحت تاثیر قرار می دهد.
